Técnica F1Aerodinámica: capa límite, flujo laminar y turbulento

La aerodinámica está presente en todo elemento en movimiento, influyendo de manera determinante en su capacidad para vencer el rozamiento. Pero, si hablamos de monoplazas, esta ciencia mecánica que estudia el movimiento de los gases sobre cuerpos estacionales -así como el comportamiento de los cuerpos en movimiento- se convierte en la clave de su rendimiento.

Para entender un poco mejor la base aerodinámica por la que se rigen los monoplazas vamos a explicar tres conceptos esenciales: la capa límite, el flujo laminar y el flujo turbulento.

Capa límite

El aire posee viscosidad, es decir, tiene cierto espesor y ofrece resistencia a las deformaciones. Por tanto, cuando circula libre y sin oposición, la velocidad en todos sus puntos es la misma. Sin embargo, al entrar en contacto con una superficie (en nuestro caso la carrocería, los neumáticos o cualquier otro elemento del monoplaza) genera fuerzas de rozamiento que dificultan el avance del mismo.

Pero dicha resistencia al avance o drag no es la misma a lo largo de toda la extensión del flujo aerodinámico. Visualicemos que el aire está formado por múltiples capas: la primera y que entra en contacto directo con la carrocería equipara su velocidad a la del vehículo, mientras que el resto pierde menos velocidad a medida que la distancia con la carrocería es mayor. En términos de velocidad relativa (la diferencia de velocidad entre el aire y la carrocería del coche), la capa que entra en contacto directo con el coche tiende a cero, creciendo a medida que el resto se separa del mismo y hasta que llega un punto en el que su velocidad no se ve afectada.

La capa límite es el conjunto de capas (formadas a su vez por moléculas) que ven alterada su velocidad por acción del objeto en cuestión, comenzando por la que iguala su velocidad a la del mismo y finalizando cuando la velocidad del aire no se ve afectada por la resistencia generada.

Flujo laminar y turbulento

La capa límite puede ser de dos tipos: laminar o turbulenta. Para entender la diferencia podemos imaginar el cauce de un río ancho y exento de rocas, troncos o cualquier otro elemento que altere su superficie. Su velocidad es homogénea y controlada y el agua crea una superficie transparente y lisa que permite observar el fondo y su recorrido con claridad.

El agua, que se rige bajo los mismos principios dinámicos que el aire, circula ordenado y constante. Es el equivalente al flujo aerodinámico laminar, puesto que las «láminas» que lo conforman circulan paralelas y sin perturbación alguna.

Más adelante, el cauce del río comienza a estrecharse y el agua llega a una zona con rocas, desniveles irregulares y troncos que alteran el normal discurrir del agua, propiciando remolinos, así como alteraciones de la velocidad y forma del flujo. Este se desordena y el agua propicia burbujas, salpicaduras, etc, que hacen que su movimiento sea caótico e impredecible. El flujo laminar se ha convertido en turbulento.

Al entrar en contacto con los diferentes elementos de un monoplaza, el aire puede comportarse de estas dos formas en función del diseño de cada parte del mismo. Y, a mayor velocidad, más propenso será el flujo de aire a incrementar su condición de turbulento, tal y como ocurre con el agua del río o con el chorro de un grifo.

¿Es siempre malo el flujo turbulento?

Al circular alrededor de la carrocería de un monoplaza, el aire provoca resistencia por rozamiento, incrementándose esta en función del tipo de flujo que tengamos. El laminar (todo lo que la realidad, alejada de un entorno ideal, permite) circula ordenado y en paralelo, por lo que ejerce poca fuerza perpendicular a la superficie y, por tanto, genera menos drag.

En cambio, el flujo turbulento es caótico, desordenado y esto hace que se creen remolinos y turbulencias, lo que propicia que las fuerzas generadas perpendicularmente crezcan, aumentando la resistencia al avance a consecuencia de una mayor fricción. La diferencia es que este tipo de flujo tiene una mayor capacidad de mantenerse pegado a la superficie de la carrocería al encontrarse con alteraciones de la misma (una curvatura o cambio de forma), por lo que elementos como los generadores de vórtices permiten mantener los niveles de carga aerodinámica en determinadas circunstancias al impedir que la capa límite se engrose, pues un flujo que tiende a ser laminar tiene más tendencia a separarse de la superficie.

El flujo turbulento tiene otras ventajas como la capacidad de refrigerar de manera más eficiente los elementos internos del monoplaza al extraer mayor calor de las distintas superficies. Digamos que es capaz de meterse en más recovecos al circular de forma caótica, como si se tratara de un cepillo de dientes que incrusta sus cerdas en toda la superficie de una pieza dental.

Así pues, los diseñadores deben tener claro qué tipo de flujo van a encontrar en cada parte del monoplaza, para así aprovechar al máximo las cualidades de uno y otro. Cuando un vehículo circula sin aire sucio al no tener un monoplaza delante alterando el aire, el alerón delantero y el morro reciben un flujo laminar con el que generar carga aerodinámica sin que los niveles de drag crezcan demasiado.

Con un práctico ejemplo, podemos visualizar cómo se comportan un flujo laminar y turbulento.

A partir de ahí, aparecen los flujos turbulentos y vórtices, por lo que el diseñador debe saber aprovechar sus características para mantener el aire adherido a la carrocería durante la mayor distancia posible, pudiendo así alimentar la zona superior del difusor de la manera más eficaz posible. A ello ayudan elementos como los generadores de vórtices ya comentados con anterioridad.

Fotos: Red Bull Content Pool | Pixabay