Ángulo de Rake en un F1

Enrique Scalabroni

Timoteo Briet

1) Concepto de Efecto  Suelo en automóviles de F1:

El fondo del chasis o suelo, debe ser plano por normativa técnica; es la parte inferior del chasis que se extiende desde el comienzo de la llamada bandeja, hasta el inicio del difusor. La superficie inferior de los 2 pontones laterales e incluso la del propio suelo, originalmente podía ser curva, como cuando Colin Chapman creó el Lotus 78 y el Lotus 79:

Cuando un automóvil se desplaza a una cierta velocidad sobre una superficie fija (superficie asfáltica del circuito) en un medio gaseoso como es el aire, y existiendo una cierta distancia de despeje entre ambas superficies, se produce una reducción importante en la presión estática (por debajo de la presión atmosférica) entre las paredes del conducto y la superficie del circuito, que genera una fuerza vertical (DWF downforce) que empuja al chassis hacia abajo; esta fuerza es proporcional a la presión estática en la superficie del fondo del automóvil y de sus 2 pontones laterales, multiplicada por la sección total de esa placa. Ese efecto debido a la velocidad del automóvil que genera en el conducto una presión negativa respecto a la presión atmosférica, se conoce con el nombre de Efecto Suelo.

Debemos tener en cuenta que la razón del Efecto Suelo se produce por 3 razones Físicas o simplificaciones numéricas de la realidad: el Principio de Bernoulli, la Ecuación de continuidad y Efecto Venturi (que deriva de los 2 principios anteriores).

El difusor empieza cuando el suelo plano acaba, aumentando la sección o área de paso; el difusor se encarga de “difuminar” la presión, aumentándola progresivamente hasta llegar a la presión atmosférica que rodea al coche.

La ecuación de continuidad nos describe la uniformidad en cuanto a caudal de un flujo dentro de un conducto. Si dentro de ese conducto no existe ninguna apertura que permita entrar o salir fluido del conducto, el flujo de la masa entrante de aire será igual al flujo de la masa saliente del total conducto. Recordemos que estamos tratando con velocidades del automóvil que son del orden de Mach 0.3, por lo que el fluido se puede considerar como incompresible.

Por el Principio de Bernoulli, para un flujo másico constante, la energía total permanece constante a lo largo de una  línea de flujo que atraviesa el conducto, por lo que si la sección disminuye en una parte del conducto, la velocidad aumentará en esa parte del circuito y por ende la presión disminuirá.

La downforce generada por el efecto suelo, es importantísima por cuanto es una fuerza que no tiene inercia; además, esta fuerza es esencial ya que comprime la parte elástica del sistema de suspensiones y por consecuencia comprime los neumáticos contra el suelo, aumentando la fuerza de fricción entre la huella de contacto y el asfalto.

Conviene recordar que antes del efecto suelo, los automóviles de F1 generaban aceleraciones laterales de aprox. 2 g laterales y 2,8 g en frenada, mientras que el Lotus 79 fue muy efectivo y generaba aprox. 2,8 a 3 g laterales y 3,5 en frenada, valores que crearon una gran diferencia en eficiencia y que desde ese momento, cambió radicalmente el diseño aerodinámico de los automóviles de competición.

Es importante indicar que NO es necesario utilizar un piso curvo, porque el sistema mas efectivo es utilizar un fondo plano, seguido de un difusor, porque permite una mayor estabilidad del flujo que circula debajo del automóvil y mantiene una presión negativa media más baja.

Esta fue la razón porque los Williams FW07 fueron más eficientes que el Lotus 80, ya que Patrick Head fue el primer  Ingeniero que diseñó el piso plano en ambos laterales y un difusor de larga distancia con un ángulo del difusor de  máximo 7 a 10 grados, para mantener la capa límite adherida las paredes del difusor.

El rake o pitch, se define como el ángulo que forma el suelo del coche con el asfalto; cuanto más grande sea este ángulo, más downforce va a generar el coche; pero este ángulo tiene un límite para cada diseño del automóvil; para poder alcanzar grandes rakes, es necesario que tanto el suelo como el difusor, trabajen de forma conjunta óptimamente y ello, lógicamente, es complicado; hay muchas variables que intervienen en esta optimización: dimensiones del suelo y difusor, áreas de entrada y salida del suelo y del difusor, alturas, relación de expansiones del suelo y del difusor, etc….

Un mal diseño en el conjunto suelo-difusor, puede producir el llamado purpoising: se produce cuando se crea un tapón viscoso a alta velocidad, no pudiendo pasar más aire a través del suelo, perdiendo la carga, cosa que hace aumentar la altura de despeje, volviéndose a generar una alta fuerza vertical. Esto crea un movimiento sinusoidal con una cierta frecuencia que crea problemas de estabilidad en el automóvil, problema que obligó a Colin Chapman a usar muelles muy rígidos para controlar esta oscilación en alta velocidad y en curvas veloces, que a su vez crearon el problema adicional de hacer trabajar los neumáticos con alta amplitud de oscilación, no permitiendo resolver el problema.

A modo de resumen: la circulación de aire por debajo del suelo, sigue el siguiente camino: entra por la parte delantera del suelo y se acelera al reducirse la sección de paso, sigue por debajo del suelo produciendo baja presión que succiona el coche hacia abajo (downforce), llega al difusor y sale por la parte trasera del coche; pero cómo es posible que el difusor extraiga o produzca fuerza para arrastrar el flujo de aire si en el difusor hay “más presión” que en el suelo? La respuesta es que en la transición entre el suelo y el difusor, justo en esa especie de esquina, se produce el denominado “crack pressure” que como su nombre indica, genera una bajada muy brusca de presión, y esta baja presión, es la responsable de succionar el flujo de aire y hacer que todo el aire que se introduce por la parte frontal del suelo, recorra todo él.

A continuación se presentan algunas vistas del automóvil que hemos utilizado (Fórmula E), para verificar la distribución de presiones en el sistema suelo-difusor, explicada anteriormente, mediante análisis CFD (Velocidad de ensayo: 250 km/h, 1º de rake, llantas y neumáticos rotando):

La zona “A” es la zona del suelo, “B” es justo el citado “Crack pressure” o “braking line” (línea de quiebre) y “C” es la zona del difusor; se ve perfectamente lo explicado: “B” baja presión acentuada, más presión en “C”
que en “A”; de hecho, el difusor produce poca carga global, en comparación al suelo:

En la siguiente imagen del suelo del Fórmula E, se aprecia en forma de colores, lo mencionado anteriormente: en azul, se observan las zonas de baja presión; esto es: inicio del suelo (aceleración del flujo de aire) y principalmente zona del Crack pressure:

2) Comparación Global Analítica entre un automóvil de doble set-up (alto rake), respecto a uno de single set-up (bajo rake):

El análisis se realiza en base a los siguientes set-ups impuestos sobre un modelo básico de un F1.

Otras imágenes del automóvil analizado (los datos técnicos de las simulaciones CFD se exponen al final del Artículo):

a) Automóvil en condición de alto rake (doble set-up):

El sistema de un automóvil de competición de doble set-up aerodinámico o de alto rake consiste en un automóvil que presenta un cambio básico en el Concepto del diseño de automóviles de competición, ya que es un automóvil que funciona con 2 set-up Aerodinámicos en el mismo automóvil, por lo que necesita un sistema de suspensiones posterior que trabaje con una doble rigidez vertical y una suspensión anterior que permita un preciso control de la altura de despeje, provisto de una amortiguación combinada para actuar en los 3 estados: 1) Movimiento en heave (movimiento vertical de la masa suspendida sin rotación en eje Y) y en frenada (controlado por el 3er elemento), 2) Movimiento en curva para amortiguar el movimiento en roll, y 3) Movimiento para controlar la amortiguación de cada rueda a alta frecuencia y ante impacto contra los cordones disuasorios.

El sistema elástico de la suspensión anterior está provisto de 2 barras de torsión instaladas en el eje de cada balancín (rocker), que soportan la carga estática del automóvil y las variaciones de cargas dinámicas provenientes de la carga aerodinámica (DWF = downforce), las perturbaciones del circuito y los estados de frenada, curva, aceleración y sus combinaciones, permitiendo un preciso control de la altura de despeje y el grupo de amortiguadores permiten disipar la energía acumulada por las distintas variaciones de carga que sufre el automóvil en su desplazamiento en el circuito. Además cuenta con una barra anti-vuelco (anti-roll bar) para minimizar el ángulo de balanceo (roll angle = ángulo de balanceo) del automóvil.

Es de notar que todos estos elementos son comúnmente usados desde hace ya varios años en los automóviles de competición, pero en el caso de este automóvil, su funcionamiento deben permitir un correcto funcionamiento tanto en el estado de bajo rake (durante rectas) y en el estado de alto rake (durante el momento de frenada y en el momento de circulación dentro en curva (especialmente en las curvas lentas), por la razón que este automóvil permite grandes variaciones de altura de despeje en el tren posterior.

La suspensión posterior, cuenta también con elementos similares para el control de la altura del tren posterior, en primera medida el control de la carga estática, mas la variación del DWF y las variaciones de las cargas dinámicas al desplazarse el vehículo en el circuito, similar al caso del tren delantero, pero con valores distintos debidos a la distribución de carga estática y aerodinámica, más el control de la altura de despeje del tren posterior, debido la considerable variación de altura al circular el automóvil en rectas y en frenadas y curvas (que es función de la velocidad del automóvil), debiendo contar con una suspensión con 2 distintos valores de rigidez vertical, una blanda para trabajar en una altura de despeje que va desde 165 a 85 mm de la masa suspendida posterior y otra de mayor rigidez vertical para controlar la altura de la masa suspendida posterior cuando se encuentra entre 85 y 45 mm.

El automóvil, al frenar, antes de entrar en curvas lentas, aumenta la altura posterior por la transferencia de carga y por la perdida de velocidad, que reduce el DWF, aumentando en este momento la altura del Centro de Gravedad posterior,  llegando aproximadamente a la altura posterior de 165 mm y 3 mm de despeje frontal. Debido a la transferencia de peso en frenada, el labio del frente inferior del chassis se acerca a la superficie del pavimento, al punto de tocar o quedar con una luz de 3 mm, reduciendo la altura de despeje del alerón delantero, aumentando el DWF delantero, por razón de Efecto Suelo, que permite reducir la posibilidad de subviraje (understeer) en el tren delantero por medio del 3er elemento de la suspensión delantera que no permite que la altura de despeje del alerón delantero toque la cinta asfáltica y también controlar que el Momento de balanceo creado por la fuerza centrifuga, actuando sobre la masa suspendida a la altura del Centro de Gravedad, que aumenta debido a la mayor altura de despeje del tren posterior (recordar que al aumentar el ángulo de rake, aumenta la altura del motor y la caja de cambios, respecto a la superficie del asfalto debido al rake de 3 grados aproximadamente que el toma el automóvil de alto rake).

Al circular el automóvil en curvas lentas, genera una alta transferencia lateral de peso de la rueda interna a la externa en el tren posterior, debido al alto momento de balanceo (como se ha explicado), descargando la rueda interna y haciendo que el automóvil doble prácticamente con 3 ruedas en las curvas lentas, que son las 2 ruedas delanteras y la rueda posterior externa, facilitando el giro del automóvil, por la reducción del potencial del grip mecánico del tren posterior, por trabajar prácticamente con la rueda externa (que tiene un potencial de grip del orden del 60 % a 70 %, de acuerdo al radio de la curva), y para evitar el patinamiento de la rueda interna (wheelspin), se necesita utilizar un alto porcentaje de bloqueo en el diferencial autoblocante (aprox. 60 % a 65 %)

Como el balanceo del automóvil está controlado por el tren delantero a través del 3er elemento y por la barra anti-roll bastante dura (para reducir el ángulo de roll del automóvil, no permitiendo que el alerón anterior que está muy cerca de tierra toque la superficie del circuito) y para no perder DWF (en la parte del alerón que está en el lado interno de la curva por el ángulo de roll del automóvil).

En definitiva, el concepto del alto rake, permite reducir la subviraje (understeer) en curvas lentas. Con esto el automóvil tiene un grip lateral controlado (al limite de deslizamiento lateral del tren posterior), controlado por el piloto de acuerdo a los g(s) de frenada y el ángulo de volante dado por el piloto, manteniendo así controlado el porcentaje de sobreviraje (controled oversteer) del tren posterior y reduciendo al mínimo la subviraje (min understeer) del tren delantero. Hasta este momento, no todos los pilotos pueden conducir correctamente este tipo automóvil como puede hacerlo Max Verstappen, debido a que Adrian Newey permitió a Verstappen (quien desde su inicio en F1 utilizó este automóvil) aprender y desarrollar la técnica de conducción de un automóvil de alto rake.

Por esta razón, el automóvil con alto rake puede ser muy veloz en curvas lentas, por permitir un veloz cambio de dirección, sin sufrir prácticamente subviraje, pero existe el problema que al trabajar prácticamente con una sola rueda en el tren posterior en curvas lentas, el neumático externo sufre un sobre-esfuerzo, que aumenta el consumo del neumático posterior externo, produciendo una posible mayor degradación que en un automóvil tradicional de bajo rake, que tienen una menor diferencia de carga vertical sobre ambos neumáticos posteriores en curvas lentas, donde el automóvil de bajo rake no sobre-esfuerza los neumáticos posteriores en curva, permitiendo un mayor numero de vueltas con un mismo tren de neumáticos respecto a los automóviles de alto rake. Los automóviles de bajo rake esfuerzan más los neumáticos del tren anterior, por la razón de tener mayor altura de despeje el alerón delantero en curvas lentas y esto hace que genera menos efecto suelo que los automóviles de alto rake, por lo que están más cerca del subviraje crítico.

Analizando ahora el automóvil de alto rake durante el momento de aceleración, a la salida de curvas lentas y en la partida de una carrera y su comportamiento en línea recta a alta velocidad, se observa los siguientes puntos:

Para el caso de partida de carrera (en piso seco o húmedo), como también a la salida de curvas lentas, el automóvil de alto rake tiene la altura de despegue en el tren posterior alrededor de 165 mm en partida de la carrera y entre 145 a 150 mm a la salida de curvas lentas, por lo que se entiende que el tren posterior está todavía apoyado en el sistema elástico de menor rigidez vertical (recordar que el automóvil de alto rake tiene 2 valores de rigidez vertical como fue explicado anteriormente). Esto permite generar una mayor aceleración lineal, porque al estar apoyado en ese momento el tren posterior sobre una rigidez baja, en ningún momento el automóvil se encontrará en un punto de alta rigidez vertical en el tren posterior, cosa que haría patinar el tren posterior, perdiendo aceleración longitudinal, ya que la suspensión con baja rigidez vertical permite una más alta aceleración longitudinal, con mayor progresividad de aplicación de la potencia en aceleración. Esto permite una más eficiente aceleración en piso húmedo y en pisos con poco grip mecánico.

En el momento de aceleración (al aplicar marchas ascendentes), permite también una mayor eficiencia de aceleración entre marchas, pero recordando que el DWF crece en proporción cuadrática al aumento de la velocidad del automóvil, el aumento de DWF hará comprimir rápidamente el sistema elástico de la suspensión posterior de menor rigidez vertical, quedando el automóvil después de la 5ta. marcha apoyado sobre el sistema elástico de mayor rigidez, por lo que el gradiente del ángulo de rake comenzará a tender a un ángulo constante de aprox. 1,0 a 1,3 grados, aunque si sigue aumentando el DWF, llevando al automóvil a una altura de despeje de la masa suspendida posterior por debajo de los 70 mm, reduciéndose el producto (Cd x A) y el ángulo de incidencia del alerón posterior, con lo que se reduce el Drag del automóvil, por la reducción de la sección maestra del automóvil y de su coeficiente Cd, a la vez de aumentar el DWF en el tren posterior por el aumento de efecto suelo debido a la cercanía a la cinta asfáltica del difusor posterior por la reducción de la altura de despeje del tren posterior.

Esta reducción del producto = (Cd x A), hace que aumente la velocidad del automóvil y el automóvil entra en un campo similar de set-up Aerodinámico de un automóvil tradicional de bajo rake, con lo que el automóvil no recupera potencia consumida respecto a automóviles de bajo rake, donde la velocidad final depende del valor de la potencia del motor/PU, por esto, si un automóvil tradicional tiene mas potencia de motor/PU, este automóvil será mas veloz en rectas, porque al tener ambos automóviles similar producto = (Cd x A), la velocidad más alta la realizará el automóvil con mayor potencia de motor/PU, aunque si el automóvil con alto rake es más veloz en la zona curvas lentas.

     En curvas veloces, no existe una gran diferencia de eficiencia entre ambos automóviles (los tradicionales y los de alto rake), porque ambos automóviles tendrán una altura de despeje del tren posterior muy similar, porque en el automóvil de alto rake su masa suspendida posterior estará ya apoyada sobre la rigidez vertical mas alta, que es similar a la del automóvil tradicional y el DWF es alto y muy similar, por tanto el difusor posterior generará un valor de efecto suelo muy similar, como así también el alerón posterior, por tener en esa posición del circuito un ángulo de incidencia bastante parecido (teniendo en cuenta que consideramos, a efecto de simplificar el estudio, que trabajamos con alerones similares que generan similar DWF, drag y eficiencia aerodinámica).  

b) Automóvil en condición de bajo rake:   

Para simplificar el estudio del automóvil de doble set-up en su comparación con uno de single set-up (aquellos con aerodinámica de bajo rake), realizamos un estudio aerodinámico en CFD, considerando un mismo automóvil y variando solo el ángulo de rake de 1.0 a 3.0 grados para determinar la respuesta Aerodinámica al cambio de ángulo de rake, como sucede en los automóviles de alto rake en momentos de frenada y en curvas lentas y consideramos un ángulo de rake de 3.0 a 1.0 para el automóvil cuando circula en rectas de alta velocidad (donde funciona con bajo rake), y solo realizamos simulaciones en CFD en ambos valores de alturas de despeje, o sea que considerando estados fijos y constantes.

Es importante hacer notar que al variar el ángulo de rake de 1.0 a 3.0 grados, el primer punto que se observa es el desplazamiento del Centro de Presión Aerodinámico de 43.4 % en el eje delantero en el automóvil con 1.0 grado de rake y 53.1% para el automóvil de 3.0 grados de rake. Esto nos hace ver que al variar el valor de efecto suelo en el alerón delantero (y en la parte delantera del suelo) por reducirse la altura de despeje y la consecuente perdida del DWF en tren posterior por el aumento de la altura de despeje en el tren posterior, hace que el difusor posterior pierda efecto suelo, con lo que el balance Aerodinámico varía, por el aumento proporcional del DWF en el tren delantero y la perdida en el tren posterior.

La primera imagen corresponde a 1.0 grado de rake y la segunda a 3.0 grados; el color azul indica baja presión y el rojo alta presión; es evidente que a 3.0 grados, el color azul aumenta considerablemente:

Además, no sólo aumenta la carga del alerón frontal, sino como hemos dicho, también lo hace la parte inferior del nosebox (nose = morro = trompa) que trabaja como un difusor delantero y con esto podemos  calcular la posición respecto al eje X, del Centro de Presión del automóvil con 1.0 grados de rake y compararlo con el automóvil con 3.0 grados de rake, donde se observa que el centro de presión del automóvil con 3.0 grados de rake se desplaza hacia adelante, respecto a la posición del automóvil con 1.0 grado de rake.

Esta diferencia de carga o mejor dicho de distribución de carga, se aprecia calculando las líneas de corriente por debajo del conjunto suelo-difusor (primera imagen corresponde a 1º y la segunda a 3º):

Podemos observar que el automóvil de doble-set up al circular en rectas, al salir de las curvas lentas y al aumentar la velocidad, se reduce el rake (también en curvas veloces), pero en estas curvas el automóvil con doble set-up tiene un rake levemente mayor al del automóvil con single set-up. Analizando de esta manera, podemos clarificar el hecho Físico del comportamiento Aerodinámico del automóvil al variar el rake, por el incremento del DWF debido al aumento de velocidad.

Si analizamos las presiones en la parte inferior del fondo del automóvil, en particular el difusor, se observan grandes diferencias; vamos a calcular los perfiles de presiones en 3 secciones longitudinales A, B y C:

Veamos ahora los perfiles de presión (la primera imagen corresponde al rake de 1.0º y la segunda a 3.0°. El inicio de las gráficas corresponde, como se ve en las secciones calculadas, al inicio del suelo plano, mientras que el final corresponde al final del difusor en su caso:

Una de las cosas más interesantes que podemos apreciar en estas 2 gráficas, es la gran baja presión (pico verde hacia abajo en la parte derecha) que se produce a 1.0º de rake; este pico corresponde al llamado crack pressure justo en el inicio del difusor (o sea en la línea de quiebre o “braking line”).  A 3.0º de rake, el pico descendente es mucho menor; la razón ya la hemos explicado que el difusor no funciona por la mayor altura de despeje en el tren posterior de 165 mm por el rake de este set-up. En realidad el conjunto suelo-difusor genera menor DWF que en el caso del automóvil de 1° de rake.

Esta diferencia de distribución de presión, tiene su reflejo en un diferente reparto o evolución de las líneas de corriente o de flujo; representemos las líneas de corriente por debajo del suelo del coche (la primera imagen corresponde al rake de 1º y la segunda a 3º):

También se observan estas diferencias en el caso de una vista frontal; una gran diferencia:

Rake = 1°

Rake = 3º

Por esto utilizamos un modelo único de automóvil como modelo de referencia, sin realizar modificaciones ni correcciones Aerodinámicas en partes de la carrocería, alerones y/o flaps, ni realizamos desarrollos especiales para mejorar la eficiencia de cada set-up (ya sea de alto o bajo rake). De esta forma evaluamos solo la respuesta del comportamiento aerodinámico del automóvil en sus valores de Total DWF, Drag, eficiencia aerodinámica, balance porcentual del DWF anterior y posterior (respecto a los valores de las alturas de despeje del tren anterior y posterior), los diagramas de presión sobre la carrocería del automóvil y los campos de presión alrededor del automóvil, diagramas de velocidad, vorticidad, posición del centro de presión (para las condiciones de alto y bajo rake), líneas de flujo en la parte superior e inferior del automóvil y también en la superficie del circuito, generaciones de vórtices y otras verificaciones adicionales, para determinar la eficiencia máxima de cada set-up.

Se observa que este tipo de automóviles de “doble set-up” se comporte como un DRS total, distinto al DRS FIA que actúa en el alerón posterior para reducir el ángulo de incidencia del flap y reducir el Drag del alerón posterior, aumentando la velocidad del automóvil para permitir superar al automóvil que le precede.

El ángulo de incidencia del automóvil de doble set-up, varía mayormente con el aumento de la velocidad del automóvil, respecto a los automóviles con single set-up que tienen una variación mucho menor del ángulo de rake.

Recordando que el automóvil con alto rake (cuando está en momento de frenada o cuando circula en curvas lentas), al reducirse la altura de despeje del alerón delantero respecto a la superficie del circuito, se genera un mayor valor de DWF en el tren delantero por el incremento de efecto suelo en la parte inferior del alerón, de sus flaps y de la parte inferior del nose box, que debido a su inclinación trabaja todo el conjunto como un difusor anterior, mas que como un alerón, permitiendo frenar mas dentro de la curva y reducir el grado de subviraje, reduciéndose el tiempo de frenada y el tiempo en curvas lentas, por el aumento de la velocidad de circulación con el automóvil controlado y poder anticipar la aplicación de la potencia a la salida de la curva, ya que al tener mayor DWF en el alerón anterior no sufre de subviraje critico ni entrada ni en salida de las curvas lentas, permitiendo acelerar antes de salir totalmente de la curva, porque el automóvil tiene en ese momento en el tren posterior una rigidez vertical de valor inferior a la rigidez para recta (y de valor inferior que en los automóviles de bajo rake), pudiendo desarrollar la potencia de una forma mas progresiva, sin llegar al límite de patinamiento de los neumáticos posteriores (como se ha explicado en la primera parte de este informe).

O sea que la ventaja potencial está en momento de frenar, donde el automóvil de alto rake, en el primer instante de frenada aumenta casi instantáneamente el ángulo de rake, con lo que aumenta el drag por aumentar la altura del despeje posterior del automóvil, incrementando la incidencia del chassis y especialmente la del alerón posterior, siendo el automóvil muy efectivo en frenada y por reducir la posibilidad de bloqueo de los neumáticos posteriores por estar en ese momento el automóvil apoyado en la rigidez menor de las 2 rigideces verticales del tren posterior.

c) Consideraciones finales:  

Este es solo un estudio básico realizado para comprender el efecto dinámico de un automóvil de doble set-up (alto rake) respecto al de single set-up (tradicional de bajo rake).

Queda todavía mucho de estudiar, analizar y desarrollar para lograr un automóvil de alta eficiencia de doble set-up (alto rake), pensando que Adrian Newey comenzó a desarrollar esta idea en 2009 y ya lleva 12 años de trabajo constante en este concepto de automóvil, por lo que es muy difícil para los otros diseñadores lograr una eficiencia similar en sus proyectos, ya que se necesita un alto trabajo de estudio y desarrollo para definir una excelente dinámica del vehículo: en la aerodinámica, en el estudio de transferencia lateral de carga en curvas lentas y en el momento de frenado y aceleración, para hacer trabajar correctamente este sistema de automóviles de doble set-up.

También como consideración final se exponen los resultados numéricos de ambas simulaciones, y sus variaciones con respecto al cambio de setup (rake):

Se pueden extraer muchas conclusiones de este primer y rápido análisis, especialmente se ve que al variar el ángulo de rake de 1.0° a 3.0° aumenta el DWF anterior, pero el DWF total sufre una pequeña variación (del orden del 1.7 % menor), por lo que la eficiencia en el automóvil con 1.0° de rake (ya que la drag es bastante mayor a 3º) es del 2.5, mientras que la eficiencia del automóvil con 3.0° de rake es 2.1

También se observa que al aumentar del DWF anterior se desplaza hacia adelante el centro de presión.

Nota = el automóvil sobre el que hemos realizado el análisis no está optimizado para trabajar con 3.0º de rake; con lo que realizando un trabajo de desarrollo y optimación el DWF total y la eficiencia aerodinámica aumenten considerablemente.

Con respecto a la eficiencia del automóvil de Red Bull, se observa que necesita para ser tan eficiente en velocidad en recta (como el Mercedes F1) un incremento de la potencia actual de sus motores/PU por un valor estimado del 4 a 4.5 %.  Queda ver si esto será posible de lograr por el proveedor de motores/PU de R/Bull durante el presente campeonato.

Es interesante notar que los equipos que han desarrollado automóviles con alto rake, han perdido menos tiempo a la vuelta con respecto la pasada temporada. Los equipos que continúan con bajo rake, al variar la normativa FIA 2021 (básicamente al recortar el tamaño del suelo; Red Bull ha empeorado sus tiempos en torno a 1 segundo, mientras que Mercedes lo ha hecho en 2 segundos aproximadamente).

Poder aumentar el rake del automóvil, permite aumentar el DWF, ya que si la Normativa FIA reduce la carga del DWF en el orden del 10 %, aquellos equipos que diseñaron automóviles “capaces” de alto rake, pueden compensar la pérdida de carga incrementando el rake; simple, verdad ¿???

d) Datos de cada simulación CFD:

Velocidad de ensayo: 250 km/h.
65 millones de celdas.
Capa límite compuesta por 20 capas.
Neumáticos y llantas rotando.
Suelo móvil.
Radiadores en pontones.
Admisión del motor.
Mezcla de gases y temperatura en los escapes; 120 m/s.
Disco de freno y caliper ruedas frontales.
Transferencia de calor en bloque motor, escapes, radiador y frenos.
72 horas de cálculo.
Pc de 256 Gb de Ram y 56 núcleos.

Contacto con los autores:

Enrique Scalabroni: Dallara Automobile, Williams F1, Ferrari F1 Chief Designer y Lotus F1, Peugeot Group C, entre otros muchos. Cuando dejó Williams para ir a Ferrari F1 (fue sustituido por Adrian Newey) = Race Car Conceptual Engineer. scalabroni@yahoo.com Twitter: @ScalabroniE:

Timoteo Briet Blanes: Aerodynamic and CFD engineer, Mathematicien, Cosmologist;  racecarsengineering@gmail.com ; https://www.linkedin.com/in/timoteobriet ; Online Course CFD; Aero and CFD professor; Twitter: @TimoteoBriet :

Colaborador; Marwan Attar (marwan.attar0@gmail.com); estudiante de nuestro Curso Online de CFD.