Existe un fenómeno no muy conocido, que aprovecha el hecho de poseer todo coche de competición, un suelo como base; es posible diseñar este suelo de una forma adecuada, para que con una resistencia mínima, genere down-force; en su momento, ello se llamó “conseguir mucho por nada”o “energía gratuita”. Es el llamado “Efecto Suelo”.

En todo coche, el aire circula tanto por la parte superior y alrededor, como por la parte inferior; por la parte inferior, la sección de paso, normalmente es pequeña en relación, obviamente, al resto; ello proporciona una serie de fuerzas y efectos, y que aprovechadas de la forma óptima y más conveniente, pueden ser rentables para el coche en su conjunto.

En el caso de aeronaves, y todos lo he podido comprobar, que sobre todo en el aterrizaje pero también en el despegue, el avión “flota”; es como si cerca de suelo, “algo” impidiese al avión tocar suelo con seguridad; ello es debido al colchón de aire que se comprime, y que se encuentra por debajo de él. Coloco una hoja de papel sobre la mesa; soplo por debajo de ella y veré que es capaz de alcanzar mucha distancia, después de haber dejado de soplar….

Todo se basa en el principio de Bernouilli; el aire, al pasar por una zona de menor sección, aumenta de velocidad, disminuyendo la presión en esa zona; ello provoca que la superficie en cuestión sea “succionada”.

Supongo un coche cuyo suelo está sellado totalmente; dicho coche no tendrá fuerza significativa en sentido vertical (hacia arriba o hacia abajo) solo aquella debida a la forma del propio vehículo; si sello la popa del suelo únicamente, se generará una alta presión en la parte inferior, haciendo que el coche tenga mucha fuerza de sustentación, levantándose hacia arriba; si por el contrario, sello únicamente la proa, obtenemos el efecto contrario (deseado) que es el de generar down-force:

Hace algunos años, y por casualidad, se pudo experimentar este efecto y aprovecharlo; se aprovechaba colocando faldillas flexibles sobre los lados el automóvil por ejemplo; también se pudo comprobar, después de algunos accidentes mortales, que era muy peligroso, puesto que si alguna de estas faldillas o accesorios se desprendían (simplemente por el paso sobre los pianos), el coche literalmente “volaba”; lógicamente, fueron prohibidos estos accesorios sellantes.

Tipos de suelo:

El típico suelo con el que me encuentro en la mayoría de coches utilitarios, es el plano:

Para optimizar la circulación de aire y su depresión, y producir escasa resistencia por ejemplo, puedo suavizar el contorno del suelo del vehículo, tanto en la proa como en la popa:

Por último y como optimización total, además, puedo inclinar el suelo con respecto al asfalto, de manera, que la abertura de entrada sea menor que la abertura de salida; de esta forma aumento la depresión que reina en el suelo, aumentando la down-force:

Es muy importante hacerlo así y no al revés, puesto que se corre el riesgo de hacer volar al coche, en el caso de un bache o algo parecido:

Si observo un coche de Fórmula 1, la forma del suelo con la cual debo de trabajar para estudiar su efecto suelo, es la sombreada en la siguiente figura:

En Fórmula 1, y según Normativa, no se permiten faldones ni nada parecido, y el suelo ha de ser totalmente plano, con una protuberancia central que recorre todo el suelo:

Técnicas CFD:

Para poder calcular o diseñar un suelo y su efecto, y admitiendo que ha de ser totalmente plano, según todas las Normativas de prácticamente todas las categorías, he de tener en cuenta y determinar básicamente la distancia con respecto al asfalto y la inclinación con respecto al mismo (Pitch); supongo que trabajo sobre este coche, y lo traslado a formato CAD:

A través de una simulación CFD, puedo calcular el campo de presiones por encima y por debajo del coche, obteniendo este tipo de gráficas:

Campo de Presiones:

0 grados (Pitch):

1 grado (Pitch):

3 grados (Pitch):

Observo que para 0º, las presiones negativas (en azul) (las que producen down-force”), son pequeñas; para 2º el resultado es mucho mejor, localizándose en la parte trasera fundamentalmente, al menos las menores; para 3º, la presión “baila y oscila” mucho, perdiéndose mucha down-force; ello es debido a que el aire que circula alrededor del coche y por los lados inferiores, intenta rellenar la depresión que origina el ángulo del suelo, introduciéndose literalmente en ella; ello provoca que no aumente en absoluto, sino todo lo contrario, la down-force.

Por tanto, observo que los ángulos de incidencia de los que estoy trabajando para el suelo, son de apenas 1º ó 2º, no mucho más. Evidentemente, una forma de impedir que el aire se introduzca en la depresión e impida una alta down-force e impida también que pueda alcanzar altos grados de incidencia, es justamente la colocación de las ya citadas faldillas…

Por tanto, observo, que con métodos CFD, soy capaces de analizar y determinar todos los parámetros necesarios para calcular un buen efecto suelo; incluso puedo diseñar un efecto suelo, acorde para cada circuito…

Aumento de la fuerza del efecto suelo:

Para aumentar la down-force y aumentar el ángulo de incidencia del suelo, he de impedir el paso de aire a esa zona inferior de baja presión; para ello, utilizo métodos aerodinámicos:

Sellado aerodinámico: se trata de generar un vórtice justo en la esquina o alrededores del suelo, de forma que este vórtice actúe de faldilla; se trata de generar un vórtice, por donde indico con línea roja:

Para ello, puedo colocar diversos artilugios; en el Dallara de Fórmula 3, utiliza un pequeño aletín en forma de aleta de tiburón:

Incluso, y a título de curiosidad, decir que en algunos coches de competición, aprovechan los propios alerones delanteros para generar estos vórtices “submarinos”, para aumentar espectacularmente la down-force generada por efecto suelo. Todo ello se puede calcular, obviamente, a partir de simulaciones CFD o túnel de viento.

Cálculo:

Todo cálculo analítico de este fenómeno es complicado; pero puedo hacer un intento burdo, vaya.

Sea “1” la entrada y “2” la salida:

Sea “a1”, “a2”, “v1” y “v2”, las áreas y velocidades correspondientes; sea “L” la longitud del coche o suelo; sea “a” el ángulo que forma el suelo del coche con la carretera.

Aplicando Bernouilli entre ambos puntos, obtengo:

Si quiero obtener una expresión para calcular la presión en cualquier intervalo del suelo, no hay más que integrar. Para calcular el centro de presión, puedo utilizar la telemetría, midiendo los desplazamientos de los amortiguadores en recta.

A título de resumen, diré que los ángulos de Pitch que se utilizan en competición, son extremadamente pequeños: apenas décimas de grado ¡¡¡¡.

Un Fórmula 3 por ejemplo, tiene unas alturas delanteras y traseras de 15 mm y 30 mm, como alturas stándard, lo que equivale, en función de las distancia entre ejes, a unos 0.3 grados….

Como se puede apreciar, estamos hablando que el pitch es muy bajo si se pretende producir mucha Down-Force; para ángulos mayores, la eficiencia se pierde radicalmente (aumenta mucho la Drag, y se reduce la Down-Force).

En cuestión de distancias con respecto al asfalto, se puede comprobar que estoy hablando de distancias muy muy pequeñas; van prácticamente pegados al asfalto; tened en consideración para acabar, que esas distancias que antes he comentado, son distancias en parado…. hay que tener en cuenta que las distancias se reducen espectacularmente, puesto que cuando el coche está a alta velocidad, la Down-Force entra en acción, disminuyendo por tanto, las alturas al asfalto.

De hecho y ahora sí para acabar, las alturas y pitch de un coche de F1, se calculan, para que en carrera y a máxima velocidad, el coche “roce” el asfalto ¡¡¡¡.

Cuanto más cerca se esté del asfalto, mayor down-force se crea….

Alguien podría pensar por tanto, que todo es cuestión de hacer una suspensión dura para que no se elongue a causa de la velocidad (aerodinámica) o en curvas. Sí es cierto vaya; pero también implicaría graves inconvenientes en relación a la dinámica del coche.