En el diseño de automóviles, el efecto suelo es una serie de efectos que se han aprovechado en la aerodinámica del automóvil para crear carga aerodinámica , particularmente en los coches de carreras. Este ha sido el sucesor del anterior enfoque aerodinámico dominante en la racionalización . La serie internacional de Fórmula Uno y los IndyCars de carreras estadounidenses emplean efectos del suelo en su ingeniería y diseños. Del mismo modo, también se emplean hasta cierto punto en otras series de carreras; sin embargo, en toda Europa, muchas series emplean regulaciones (o prohibiciones totales) para limitar su eficacia por motivos de seguridad.
En los autos de carreras, el objetivo del diseñador es aumentar la carga aerodinámica y el agarre para lograr velocidades más altas en las curvas. Se obtiene una cantidad sustancial de carga aerodinámica al entender que el terreno es parte del sistema aerodinámico en cuestión, de ahí el nombre "efecto suelo". A partir de mediados de la década de 1960, las "alas" se utilizaron habitualmente en el diseño de los coches de carreras para aumentar la carga aerodinámica (que no es un tipo de efecto suelo). Los diseñadores cambiaron sus esfuerzos para comprender el flujo de aire alrededor del perímetro, los faldones de la carrocería y la parte inferior del vehículo para aumentar la carga aerodinámica con menos resistencia en comparación con el uso de un ala.
Este tipo de efecto suelo se ilustra fácilmente sacando una lona en un día ventoso y manteniéndola cerca del suelo: se puede observar que cuando esté lo suficientemente cerca del suelo, la lona será arrastrada hacia el suelo. Esto se debe al principio de Bernoulli ; A medida que la lona se acerca al suelo, el área de la sección transversal disponible para el aire que pasa entre ella y el suelo se reduce. Esto hace que el aire se acelere y, como resultado, la presión debajo de la lona cae mientras que la presión en la parte superior no se ve afectada, y en conjunto esto da como resultado una fuerza neta hacia abajo. Los mismos principios se aplican a los automóviles.
El principio de Bernoulli no es el único aspecto de la mecánica para generar carga aerodinámica por efecto suelo. Gran parte del rendimiento del efecto suelo proviene del aprovechamiento de la viscosidad . En el ejemplo de lona anterior, ni la lona ni el suelo se mueven. La capa límite entre las dos superficies actúa para ralentizar el aire entre ellas, lo que disminuye el efecto Bernoulli. Cuando un automóvil se mueve sobre el suelo, la capa límite en el suelo resulta útil. En el sistema de referencia del automóvil, el suelo se mueve hacia atrás a cierta velocidad. A medida que el suelo se mueve, atrae el aire que está encima y hace que se mueva más rápido. [ dudoso ] Esto mejora el efecto Bernoulli y aumenta la carga aerodinámica. Es un ejemplo de flujo Couette .
Si bien estas técnicas aerodinámicas que producen carga aerodinámica a menudo se denominan con el término general "efecto suelo", no son estrictamente hablando el resultado del mismo fenómeno aerodinámico que el efecto suelo que es evidente en aviones a altitudes muy bajas .
El estadounidense Jim Hall desarrolló y construyó sus autos Chaparral en torno a los principios del efecto suelo, siendo pionero en ellos. Su coche de 1961 intentó utilizar el método de la parte inferior moldeada, pero había muchos otros problemas aerodinámicos en el coche como para que funcionara correctamente. Sus coches de 1966 utilizaban un alerón espectacularmente alto para aumentar la carga aerodinámica. Su "coche tonto" Chaparral 2J de 1970 fue revolucionario. Tenía dos ventiladores en la parte trasera del coche impulsados por un motor de dos tiempos dedicado; También tenía "faldones", que dejaban sólo un espacio mínimo entre el coche y el suelo, para sellar la cavidad de la atmósfera. Aunque no ganó ninguna carrera, algunos competidores presionaron para que se prohibiera, que entró en vigor a finales de ese año. Los dispositivos aerodinámicos móviles fueron prohibidos en la mayoría de las ramas del deporte. [1]
La Fórmula Uno fue el siguiente escenario para el efecto suelo en los coches de carreras. Varios diseños de Fórmula Uno se acercaron a la solución de efecto suelo que finalmente implementaría Lotus. En 1968 y 1969, Tony Rudd y Peter Wright de British Racing Motors (BRM) experimentaron en la pista y en el túnel de viento con alforjas laterales de sección aerodinámica larga para limpiar el flujo de aire turbulento entre las ruedas delanteras y traseras. Ambos abandonaron el equipo poco después y la idea no se llevó más lejos. Robin Herd de March Engineering , por sugerencia de Wright, utilizó un concepto similar en el coche de Fórmula Uno March de 1970. En ambos coches, los pontones estaban demasiado lejos del suelo para que se generara un efecto suelo significativo, y la idea de sellar el espacio bajo la sección del ala al suelo aún no se había desarrollado. [1]
Casi al mismo tiempo, Shawn Buckley comenzó su trabajo en 1969 en la Universidad de California, Berkeley, sobre la aerodinámica inferior del automóvil, patrocinado por Colin Chapman , fundador de Fórmula Uno Lotus . Buckley había diseñado previamente el primer ala alta utilizada en un IndyCar , el "Bat Car" de Jerry Eisert de las 500 Millas de Indianápolis de 1966 . Al darle la forma adecuada a la parte inferior del auto, se podría aumentar la velocidad del aire, reduciendo la presión y empujando el auto hacia la pista. Sus vehículos de prueba tenían un canal tipo Venturi debajo de los autos sellado por faldones laterales flexibles que separaban el canal de la aerodinámica superior del auto. Investigó cómo la separación del flujo en el canal bajo la superficie podría verse influenciada por la succión de la capa límite y los parámetros de divergencia de la superficie bajo la carrocería. [2] [3] [4] Más tarde, como profesor de ingeniería mecánica en el MIT , Buckley trabajó con Lotus desarrollando el Lotus 78 .
En un rumbo diferente, el diseñador de Brabham Gordon Murray utilizó presas de aire en la parte delantera de sus Brabham BT44 en 1974 para impedir que el aire fluyera debajo del vehículo. Al descubrir que estos tendían a desgastarse con el movimiento de cabeceo del auto, los colocó más atrás y descubrió que se formaba una pequeña área de presión negativa debajo del auto, generando una cantidad útil de carga aerodinámica: alrededor de 70 kg (150 lb). . McLaren produjo detalles de bajos similares para su diseño McLaren M23. [1]
En 1977, Rudd y Wright, ahora en Lotus, desarrollaron el 'coche ala' Lotus 78 , basado en un concepto del propietario y diseñador de Lotus, Colin Chapman . Sus pontones, construcciones voluminosas entre las ruedas delanteras y traseras, tenían la forma de perfiles aerodinámicos invertidos y estaban sellados con "faldones" flexibles al suelo. El diseño de los radiadores, integrados en los pontones, se basó en parte en el del avión De Havilland Mosquito . [5] El equipo ganó cinco carreras ese año y dos en 1978 mientras desarrollaban el Lotus 79, muy mejorado . El contendiente más notable en 1978 fue el Brabham - Alfa Romeo BT46B Fancar, diseñado por Gordon Murray. Su ventilador, que giraba sobre un eje longitudinal horizontal en la parte trasera del coche, tomaba su potencia de la caja de cambios principal. El coche evitó la prohibición deportiva afirmando que el objetivo principal del ventilador era enfriar el motor, ya que menos del 50% del flujo de aire se utilizaba para crear una depresión debajo del coche. Corrió sólo una vez, con Niki Lauda ganando en el Gran Premio de Suecia de 1978 . La ventaja del coche quedó demostrada después de que la pista se engrasara. Mientras que otros coches tuvieron que reducir la velocidad, Lauda pudo acelerar sobre el aceite debido a la tremenda carga aerodinámica que aumentaba con la velocidad del motor. [6] También se observó que el automóvil se agachaba cuando el motor estaba parado. [7] El propietario de Brabham, Bernie Ecclestone , que recientemente se había convertido en presidente de la Asociación de Constructores de Fórmula Uno , llegó a un acuerdo con otros equipos para retirar el coche después de tres carreras. Sin embargo, la Fédération Internationale de l'Automobile (FIA), organismo rector de la Fórmula Uno y muchas otras series de deportes de motor, decidió prohibir los "fan cars" con efecto casi inmediato. [8] El Lotus 79, por otro lado, ganó seis carreras y el campeonato mundial para Mario Andretti y le dio a su compañero de equipo Ronnie Peterson un segundo lugar póstumo, demostrando cuánta ventaja tenían los autos. En los años siguientes, otros equipos copiaron y mejoraron el Lotus hasta que las velocidades en las curvas se volvieron peligrosamente altas, lo que provocó varios accidentes graves en 1982; las partes inferiores planas se volvieron obligatorias a partir de 1983. [9]Parte del peligro de depender de los efectos del suelo para tomar curvas a altas velocidades es la posibilidad de la eliminación repentina de esta fuerza; Si la parte inferior del automóvil entra en contacto con el suelo, el flujo se restringe demasiado, lo que resulta en una pérdida casi total de cualquier efecto del suelo. Si esto ocurre en una curva donde el conductor depende de esta fuerza para permanecer en la pista, su eliminación repentina puede hacer que el automóvil pierda abruptamente la mayor parte de su tracción y se salga de la pista.
Después de una prohibición de cuarenta años, el efecto suelo regresó a la Fórmula 1 en 2022 gracias a los últimos cambios reglamentarios.
El efecto se utilizó en su forma más efectiva en los diseños de IndyCar . IndyCars no utilizó el efecto suelo tan sustancialmente como la Fórmula Uno. Por ejemplo, carecían del uso de faldones para sellar los bajos del coche. Los IndyCars también viajaban más alto que los autos de F1 con efecto suelo y también dependían de las alas para obtener una carga aerodinámica significativa, creando un equilibrio efectivo entre la carga aerodinámica sobre el auto y el efecto suelo.
"Marsopa" es un término comúnmente utilizado para describir una falla particular que se encuentra en los autos de carreras con efecto suelo. Los autos de carreras solo habían estado usando su carrocería para generar carga aerodinámica durante poco más de una década cuando los autos Lotus 78 y 79 de Colin Chapman demostraron que el efecto suelo era el futuro en la Fórmula Uno, por lo que, en ese momento, la aerodinámica debajo del auto todavía era muy importante. mal entendido. Para agravar este problema, los equipos que estaban muy interesados en buscar efectos de suelo tendían a ser los equipos "garagiste" británicos con menos financiación, que tenían poco dinero de sobra para las pruebas en el túnel de viento, y tendían simplemente a imitar a los Lotus que iban delante (incluidos los equipos Kauhsen y Merzario ). [ cita necesaria ]
Esto llevó a una generación de automóviles que fueron diseñados tanto por intuición como por un gran conocimiento de los detalles más finos, haciéndolos extremadamente sensibles al tono. A medida que el centro de presión sobre los perfiles aerodinámicos de los pontones se movía dependiendo de la velocidad, actitud y distancia al suelo del auto, estas fuerzas interactuaban con los sistemas de suspensión del auto, y los autos comenzaron a resonar, particularmente a velocidades lentas, balanceándose hacia adelante y hacia atrás, a veces bastante violentamente. Se sabía que algunos conductores se quejaban de mareos. [ cita necesaria ] Este movimiento de balanceo, como una marsopa que se zambulle dentro y fuera del mar mientras nada a gran velocidad, le da nombre al fenómeno. Estas características, combinadas con una suspensión dura como una roca, dieron como resultado que los autos tuvieran una conducción extremadamente desagradable. Los efectos del suelo estuvieron prohibidos en gran medida en la Fórmula Uno a principios de la década de 1980 hasta 2022, pero los autos deportivos del Grupo C y otros autos de carreras continuaron sufriendo marsopas hasta que un mejor conocimiento de los efectos del suelo permitió a los diseñadores minimizar el problema. [10] En la primera prueba de pretemporada en Barcelona antes del Campeonato Mundial de Fórmula Uno de 2022 , George Russell dijo que la marsopa extrema podría provocar problemas de seguridad y luego declaró que sufría de dolor en el pecho debido a la marsopa extrema durante el Gran Emilia Romagna de 2022. Premio . En el Gran Premio de Azerbaiyán de 2022 , Lewis Hamilton tuvo dificultades para salir del coche después de la carrera debido a una violenta marsopa. [11] [12]