Carga aerodinámica, cómo se cuantifica y cuál es su importancia

En mi anterior artículo «Desarrollo de un deportivo, un vistazo a su proceso» hice referencia a varios factores que influencian las prestaciones de un superdeportivo. Uno de ellos – tal vez de los más importantes – es el apartado aerodinámico, que es además de los más fáciles de identificar físicamente. Sin embargo, para muchos aficionados al mundo del motor el término «carga aerodinámica» puede resultar difuso y difícil de cuantificar.

En mecánica de fluidos, el aire es considerado un fluido. Cuanto más denso sea, más resistencia aerodinámica ofrecerá a cualquier objeto que se mueva a través de él. En muchas instancias durante la toma de resultados se considera que la densidad del aire es constate a 1.225 kg/m3. Este tipo de resistencia se denomina drag y constituye el componente horizontal paralelo y opuesto a la moción del vehículo. Es también función de la velocidad a la que se mueva el vehículo, de su forma y de su área frontal. ¿Y qué, podría uno preguntarse? Pues cuanto más drag experimente el vehículo más reducida se verá su velocidad punta.

Por suerte no todo es malo. Existe también un componente vertical que actúa en dirección al suelo o “hacia abajo” lo que hace que el vehículo experimente la denominada “downforce” (o sustentación negativa – negative lift). Básicamente, esta fuerza “extra” ejercida verticalmente en dirección al suelo permite al vehículo incrementar la velocidad en paso por curva, ya que incrementa la capacidad de tracción de las ruedas y además ayuda a disminuir el “tyre slide” o patinaje de la rueda, especialmente en salidas de curvas de mediana velocidad cuando pisamos duro.

Los elementos más comunes – si bien no los únicos - que encontramos para generar esta carga aerodinámica son alerones, splitters, “aero flicks”, difusores, etc... Es importante tener en cuenta que estos elementos trabajan conjuntamente unos con otros y que su diseño y/o configuración (que puede ser variable dependiendo del deportivo) tienen una gran influencia el balance aerodinámico que a su vez influencian el subviraje y el sobreviraje del vehículo. Así que no es una cuestión de “cuanto más downforce mejor”; el balance “atrás / adelante” es vital – posteriormente trataremos este tema.

Cómo se cuantifica la carga aerodinámica

El denominado coeficiente de sustentación o lift coefficient es el indicador más importante, definido así:

Donde:

• Cl = coeficiente de sustentación
• L = Fuerza de sustentación o downforce en Newtons
• V = velocidad del vehículo en m/s
• ρ = densidad del aire en kg/m3
• A = área frontal del vehículo en m2

Es importante tener en cuenta que cuando hablamos de downforce la magnitud del valor de Clserá negativo. El alerón instalado en la parte trasera de un coche genera downforce, el caso contrario se da con el ala de un avión, donde lift o sustentación sería el resultado – en futuros artículos me referiré en más detalle a este tema concreto.

El coeficiente de sustentación es adimensional y, cuanto más elevado sea, más agarre aerodinámico proporcionará el vehículo. Es decir, más grande será el componente de esta fuerza vertical hacia abajo que “empuja” el vehículo hacia suelo. Cualquiera con ojo para las matemáticas es capaz de ver que el downforce, L, es función – entre otras cosas – de la velocidad y que esta no se mantiene constante según aceleramos. Ahora bien, la densidad del aire y el área frontal del vehículo si se mantienen constantes. Por eso las marcas hacen ensayos donde L es calculado a varias velocidades y su valor evidentemente varía en función a la velocidad a la que se lleve a cabo la prueba.

Una vez más, haciendo referencia a la ecuación y como la marca ya tendrá definida el área frontal del vehículo (por ejemplo, 2 m2) y la densidad del aire - 1.225 kg/m3 - lo único que hace falta por averiguar es el downforce – “L” en nuestra ecuación. Este valor es calculado utilizando primero herramientas de CFD, luego túnel de viento y después pruebas físicas con el vehículo real en diferentes pruebas y corroborando resultados. Con la instrumentación necesaria, las marcas podrán encontrar el downforce total que actúa tanto en el eje delantero como en el trasero a diferentes velocidades. De tal forma que:

L = Downforce Total = downforce eje delantero + downforce eje trasero

¿Por qué usar los ejes como referencia para medir el downforce en cada uno? Sencillo, porque es conveniente para definir el balance aerodinámico. El downforceeje delantero se compondrá de la suma de las cargas aerodinámicas actuando sobre las ruedas delanteras y el downforceeje trasero estará compuesta por la suma de las cargas aerodinámicas sobre las ruedas traseras. De tal forma que:

Aquí es un buen momento para detenerse y acordarse del subviraje y sobreviraje. Un coche con excesiva carga aerodinámica delantera y poca trasera tenderá a sobrevirar al entrar en las curvas, ya que la parte delantera estará más sujeta. Sin embargo, el coche irá más suelto de atrás exigiendo un contra volanteo rápido para evitar que la zaga nos adelante. Demasiada carga aerodinámica atrás, y el coche será mas propenso a subvirar. Esto es una forma simplista de plantear el asunto, pero es esencialmente verdad. Por supuesto hay más factores que influencian el manejo, como la suspensión, amortiguadores, balance de peso. Eso sí, todos ellos trabajan conjuntamente.

Por último, quiero aclarar que el downforce – “L” en nuestra ecuación – es una fuerza. La segunda ley de Newton establece que:

L = Downforce total = m * g

Donde:

L = downforce en Newtons
m = masa kg
g = constante gravitacional de aceleración = 9.81 m/s2

Esto nos permite aclarar una frase común tal como «este coche genera 500 kg de carga aerodinámica». Ya hemos visto como llegamos a calcular el downforce y sabemos que la constante gravitacional de aceleración es de 9.81 m/s2.

Despejando la última ecuación para encontrar “m” nos dará esa carga aerodinámica, expresada en kilogramos:

Por supuesto, como ya he mencionado, el downforce depende de la velocidad, pero es común dar resultados de carga aerodinámica en términos de cuantos kilos (o Newtons – se puede pasar de una unidad a otra fácilmente) genera el vehículo a 250 km/h.

En resumen, lo importante es tener cuenta que la carga aerodinámica no se mantiene constante al incrementarse la velocidad y que el downforce ayuda a mejorar el paso por curva – también asiste en frenadas fuertes, particularmente cuando bajamos de una alta velocidad (por ejemplo, de 300 a 0 km/h) y al acelerar, ya que ayuda a “plantar” más el coche al suelo según va cogiendo velocidad, ayudando así a minimizar el patinaje de las ruedas y conseguir mejor aceleración longitudinal. La relación entre velocidad y downforce ha quedado definida en las ecuaciones. Y, como en todo, lo más importante es un balance óptimo “atrás / adelante” ya que ayudará a que el manejo del vehículo sea más predecible.