Fernando Alonso y el Principio de Bernouilli: la física de los problemas de Ferrari

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Fernando Alonso y la escudería de “ll Cavallino rampante” se enfrentan este año a una encrucijada: tradición o modernidad. El orgullo del gran fabricante de motores, cuyo dominio fue incuestionable durante el reinado de “El Kaiser”, está herido de muerte. La mecánica de fluidos tiene la solución. ¿Está Ferrari aún a tiempo de coger el tren? En este artículo, se dan algunas pistas de los fundamentos físicos del talón de Aquiles del monoplaza del asturiano…

Alonso concentrado

En poco más de un mes, el circo de la Fórmula 1 se pone en marcha de nuevo. Este es un acontecimiento esperado por los ferraristas y los alonsistas (no siempre son la misma cosa), que esperan ansiosos la puesta en escena de los bólidos rojos. Para todos los tifossi que siguen de cerca este hiper-tecnologizado deporte, son motivo de especial preocupación las mejoras que incorpore el nuevo coche, ya que en la temporada pasada se vieron casi siempre superados en las jornadas de clasificación, por las escuderías Mc Laren y Red Bull. Sólo la habilidad como piloto de Fernando Alonso, evitó un resultado peor al final de la temporada.

Pero ¿es que Ferrari ya no sabe hacer coches? ¿Estamos ante el final de la era dorada de La Scuderia ? La respuesta hay que buscarla en las palabras de Enzo Ferrari, fundador de la compañía:

La aerodinámica es para los que no saben hacer motores.

Semejante afirmación dice mucho de la filosofía de la que es toda una institución en Italia. Ferrari siempre ha considerado su seña de identidad el diseño de buenos motores (quién lo puede dudar…), pero ha considerado la aerodinámica como algo secundario. Sin embargo, la sucesión de jornadas de clasificación en las que el equipo de Maranello quedaba en segunda (y a veces en tercera) línea de la parrilla, llevaron al jefe de la escudería, Stefano Domenicali, a afirmar:

La aerodinámica es el campo más determinante en la F1 actual y los latinos no somos buenos en eso. Ni en Italia ni en España tenemos una cultura de la aerodinámica tan desarrollada como en Reino Unido.

En esta frase, se condensa la descripción del problema que relega a Ferrari a un puesto de secundario en la disputa por el título mundial y muestra el camino a seguir para cambiar esa situación.

Pero, ¿qué papel juega la aerodinámica? La respuesta más inmediata es bastante intuitiva. Parece bastante lógico que evitar al máximo el rozamiento con el aire, mejorará la eficiencia en velocidad y en consumo de combustible. Todos los vehículos, incluso los comerciales, intentan en la medida de lo posible tener en cuenta un diseño que minimice este rozamiento. Pero la aerodinámica es mucho más que eso…

Cuando un automóvil (o cualquier objeto) atraviesa un flujo de aire, entran en juego una serie de efectos que se modelizan con la Ecuación de Euler-Bernouilli:

Bernouilli

Donde:

  • V= Velocidad del aire
  • ρ= Densidad del aire
  • P= Presión a lo largo de la línea de corriente
  • g= Aceleración gravitatoria
  • z= Altura respecto a la cota de referencia

Esta fórmula es de aplicación teniendo en cuenta una serie de supuestos para que sea válida y que se cumplen de manera aproximada: que la fricción dentro del chorro de aire es nula, que el caudal de aire es constante, que la línea de corriente es más o menos recta (no hace torbellinos) y que la densidad es constante. Habría mucho que discutir sobre estas aproximaciones, pero para ilustrar el concepto, las damos por válidas.

Éste es ni más ni menos que el principio en el que se basa (además del ángulo de ataque el ala y otras consideraciones de orden menor) la sustentación de las alas de los aviones: los términos de la ecuación tienen que garantizar en todo momento, que la suma de todos ellos es constante a lo largo de una línea de corriente.

Pero resulta que para cada altura de vuelo, la densidad y la aceleración de la gravedad, serán más o menos constantes. Si consideramos que el chorro de aire incidente en el borde de ataque del ala de un avión, se reparte entre la parte superior (extradós) e inferior (intradós) de la misma, tenemos que la curvatura de la parte superior obliga a las moléculas de aire a desplazarse más deprisa que por la parte inferior.

Karman trefftz

Como uno de los términos ha cambiado (la velocidad), la presión ha de ser distinta en el extradós (menor presión) que en el intradós (mayor presión), ya que de otra forma no se cumpliría la condición de que la suma de los términos de la ecuación se mantenga constante en la línea de corriente.

Al haber una diferencia de presiones entre ambas caras del ala, se produce una fuerza de empuje hacia arriba (proporcional a la superficie de las alas) que sustenta los planos del avión y permite su vuelo:

Empuje

Donde:

  • L= Fuerza de empuje
  • ρ= Densidad del aire
  • V= Velocidad del aire
  • A= Superficie de las alas
  • CL Coeficiente de sustentación

Bueno, pero ¿qué tiene que ver esto con un fórmula 1? La respuesta es simple: un fórmula 1 “vuela al revés”. Es decir, el diseño de sus alerones le hacen pegarse al suelo para tener más adherencia que le ayude a contrarrestar las brutales fuerzas G a las que se ve sometido el monoplaza en las curvas.

Vista frontal f138

Esta adherencia complementa la aportada por el agarre de los neumáticos y le permite hacer las trazadas a más velocidad. De ahí que según las características del circuito, se busque un reglaje distinto a los alerones, sobre todo los delanteros. Además, esta adherencia contra el suelo es necesaria para evitar que el vehículo salga volando.

De hecho, de la teoría se desprende que un fórmula 1, con una serie de modificaciones en el motor (que le permitiesen funcionar en posición invertida) y con unos alerones que le proporcionasen un empuje suficiente para contrarrestar su propio peso, “podría” circular por el techo de un túnel

Schumi ya lo intentó en la ficción, aunque en este caso, se valía de la energía cinética que le aportaba la fuerza bruta de su Mercedes SLS AMG.

Ferrari es consciente de la importancia cada vez mayor de estas cuestiones y ha iniciado una revolución, empezando por clausurar el túnel de viento que tienen en Maranello para modernizarlo, ya que se ha sabido que han tenido problemas de fiabilidad de los datos en las simulaciones con modelos.

Se espera que durante la temporada 2013 hagan uso de las instalaciones de Toyota en Colonia (Alemania) y esto lleve a mejoras significativas, que les permitan arañar las tan ansiadas décimas que les apartan de los puestos de cabeza.

¿Será éste el año de Ferrari? ¿Supondrá el cambio de enfoque el fin de la hegemonía de red Bull?

Estaremos atentos…

Archivado en Bernouilli, F1, Ferrari
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Comentarios (10)

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  • Luis dice:

    Tío, lo has bordado! PEDAZO DE ARTÍCULO! más claro agua! espero de corazón que hagas más así de claritos ya que a los que seguimos la F1 nos pones las cosas mucho más fáciles 🙂

  • Pablo Cruz dice:

    Gracias por el comentario. Esa es la idea: que se entienda, con en mínimo de fórmulas, de donde vienen los fenómenos físicos de lo cotidiano. Aunque la F1, tenga poco de cotidiano… 🙂

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