El motor de un F1 es muy complejo y ofrece un gran rendimiento. Todos conocemos a las marcas fabricantes de motores: Mercedes, Ferrari, Renault, BMW, Toyota y Honda. Para diseñar y producir un motor en esta competición es necesaria una gran inversión y tiempo, por lo que los equipos pequeños optan por comprar motores a uno de estos fabricantes. Para comprender como funcionan, es necesario comprender como funciona un motor de combustión interna. Primero hay que saber que un motor transforma energía en trabajo mecánico o movimiento. Los de combustión interna transforman la energía química del combustible. Pueden ser gasolina y diesel. Ambos pueden ser también de dos o cuatro tiempos.
Un motor de combustión interna de un automóvil suele tener estas partes: sistema de combustión, sistema de lubricación, sistema eléctrico y sistema de refrigeración. El sistema de combustión es la parte compuesta por los cilindros, bujías, cigüeñal etc. El sistema de lubricación es el que se encarga de que la fricción entre las partes del motor no sea muy grande y esto ocasione un desgaste excesivo en las partes del motor. Este sistema tiene un cárter (deposito) de aceite que con una bomba circula por el motor. El sistema eléctrico tiene varias partes: el motor de arranque (es eléctrico), el alternador (transforma en electricidad el movimiento del cigüeñal), la batería (que se recarga con el alternador) y la ECU (unidad de control electrónico). Este sistema se encarga de poner en marcha el cigüeñal al arrancar para que empiece a funcionar el motor de combustión (antiguamente se usaba una manivela que se accionaba desde fuera), de recargar la batería, de hacer funcionar los aparatos electrónicos y las ECU de controlar el funcionamiento del motor, es como un programa. El sistema de refrigeración funciona con agua o aire que es impulsado y después enfriado en un radiador.
Los motores diesel y gasolina se diferencian en que los diesel, el combustible entra en la cámara de combustión después de que el aire ya esta comprimido y por ello el combustible arde inmediatamente por la alta temperatura sin necesidad alguna de chispas. En uno de gasolina, el combustible y el aire se comprimen a la vez (después de mezclados) y salta una chispa en las bujías. Los motores de dos tiempos tienen dos fases y los de cuatro tiempos cuatro. En los de cuatro tiempos de gasolina las fases son: Aspiración de la mezcla de aire y combustible, compresión de estos, ignición y explosión y por último el escape de los gases.
Todo esto se complica mucho en un motor de F1. La tecnología empleada es muy avanzada. En 2007 se usan motores V8 de 2.4 litros (los litros significan el volumen de los cilindros, es decir, 2400 cc en 8 cilindros son 300 cc en cada uno, 2400/8 = 300). Además están limitados a 19000 rpm, cosa que limita el desarrollo, ya que aumentando las rpm se aumenta también la potencia y rendimiento de un motor. Los motores de combustión presentan un rendimiento energético muy bajo, solo aprovechan un 20% de la energía. Esto se debe a los rozamientos internos del motor, por el calor de los gases de escape y por el calor que se evacua con el sistema de refrigeración. El rendimiento de un motor se mide en una hora y es la masa de combustible necesaria para producir un CV durante una hora. Ej.: 300 gr. /CV. En años futuros es posible que veamos turbocompresores en los F1 así que también los explicaré. Los turbocompresores o compresores centrípetos comprimen el aire antes de que entre en los cilindros para que se consiga una mayor capacidad. El aire al comprimirse ocupa menos, por lo que se puede introducir una mayor cantidad de aire mejorando así el rendimiento. La presión se puede medir en bares (1 bar = presión atmosférica). Con motores de 1.3- 1.4 litros con turbo podrían alcanzarse los 600 CV. Pero no todo son ventajas. Al comprimir el aire, su temperatura aumenta (lo que produce un cambio de densidad y eso perjudica el rendimiento) y por eso se usan los intercoolers, que son radiadores que enfrían el aire antes de que entre en los cilindros. Aparte de su tamaño (ocupan mucho) producen una disminución de flujo real que llega al motor por varios factores. Pero la potencia que se produce es bestial. Para comprimir el aire se usa una turbina que se mueve gracias a los gases de escape (y alcanza altísimas revoluciones). Este método también se usa en los motores para los aviones consiguiendo así más potencia.
No sé si os habréis preguntado alguna vez para que sirven los pontones (situados en los laterales del coche) y la toma de aire (que se encuentra detrás del piloto y sirve también para evitar que en caso de vuelco la cabeza del piloto golpee el suelo). Los pontones sirven para refrigerar el motor, al igual que las branquias que uso Renault. La toma de aire superior es por donde entra el aire al motor y esta es una de las funciones del extravagante alerón delantero de Mclaren. Esa nueva ala incorporada dirige parte del flujo del aire hacia los pontones (mejor refrigeración y por tanto se pueden hacer más pequeños) y hacia la toma de aire superior (más rendimiento en el motor al entrar mayor cantidad de aire).
Teniendo en cuenta todas las limitaciones que tienen los motores de F1, desarrollarlos es algo muy difícil. Aun así, se puede evolucionar de algunas maneras. Con la limitación de las revoluciones se pierden unos 50-100 CV. Pero se pueden desarrollar optimizando el flujo de aire que entra al motor. Os preguntaréis si esto no está prohibido. Cualquier dispositivo para forzar su entrada está prohibido, pero no optimizarlo. El aire entra en los cilindros debido a la depresión que estos producen al bajar. Aumenta el espacio para la cierta cantidad de aire que hay dentro de ellos, por lo que esa cantidad se hace menos densa (menos presión), por lo tanto el aire de fuera se dirige hacia los cilindros para mantener la presión igualada con la de fuera (es así como funcionan nuestros pulmones). La cantidad de gasolina en cada combustión está asegurada, ya que eso lo regula un sistema electrónico, pero no el caudal de aire. La relación óptima entre gasolina y aire es más o menos 15 moléculas de aire por cada una de gasolina. Dependiendo del caudal de aire que entre (es algo que puede medirse gracias a la electrónica) el sistema electrónico de inyección aportará más o menos gasolina. Optimizar el caudal de aire es algo muy complicado ya que hay que tener en cuenta absolutamente todas las partes que intervienen como válvulas de admisión, cilindros, pistones, conductos de admisión y muchos elementos más. Aunque consigamos que la proporción entre gasolina y aire sea la antes mencionada, no sirve de nada si no es en todas las partes. Es decir, a nivel microscópico, en todo el cilindro debe haber esta relación. Por eso se crean turbulencias para que la mezcla sea homogénea consiguiendo una ignición que se propaga en círculos concéntricos. Otra cosa a tener en cuenta es el diseño de los cilindros. Hay dos partes en el diseño a tener en cuenta: la carrera y el diámetro. La carrera del cilindro es la distancia que este recorre desde que está lo más arriba posible (PMS = punto muerto superior) y lo más bajo posible (PMI = punto muerto inferior). Cuando está arriba del todo o abajo, esta parado un momento (velocidad = 0) y por eso se llama punto muerto. La relación entre estas dos medidas nos da la cilindrada del motor (si usamos la fórmula geométrica del cilindro para saber su volumen). Si usamos una carrera más larga (y por tanto menos diámetro) el motor será más progresivo pero las válvulas que usemos tendrán que ser más pequeñas. Si usamos una carrera más corta podremos usar válvulas más grandes pero reduciremos la fiabilidad, ya que habrá cambios más bruscos de aceleraciones y deceleraciones (en menos tiempo que con una carrera larga. Para que los motores sean más fiables se ha reducido el peso (250 gr.) de los pistones ya que así ejercerán menos fuerza en las bielas que podrían llegarse a romper debido a las grandes velocidades a las que el cilindro esta sometido. La relación entre la carrera y el diámetro se expresa así: C/D. Los cilindros tienen una velocidad media de entre 25 y 28 m/s, una carrera de uno 4 cm. y un diámetro de unos 9 cm. Es difícil establecer la mejor relación pero los fabricantes tienen que diseñarlos con un diámetro suficiente para que entren todas las válvulas (4: 2 de admisión y 2 de escape). También se ha intentado reducir los rozamientos internos entre los componentes pero cada vez quedan menos cosas que mejorar. Posiblemente en los nuevos materiales y aleaciones recaigan las mejoras.
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Autor: Sergio Porres González http://cochesmasf1.blogspot.com/Este documento ha sido realizado para aquellos que quieran saber más acerca de la F1 y la mecánica en general . Si alguien quiere publicarlo, que contacte con su autor: sergioporresgonzalez@gmail.com
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jueves, 5 de junio de 2008
Tutorial: Aerodinámica
La aerodinámica es una rama de la mecánica de fluidos que se ocupa del movimiento del aire y de otros fluidos gaseosos, además estudia las fuerzas ejercidas sobre los cuerpos que se mueven en esos fluidos. Esto os parecerá una definición más o menos sencilla, pero en realidad esta rama es bastante compleja, por lo que trataré de hacerlo lo más comprensible posible y no profundizaré mucho.
La aerodinámica es una parte fundamental en el rendimiento de los monoplazas de F1, sobre todo debido a las actuales limitaciones en cuestiones de desarrollo de motores, suspensiones etc. Por ello, se invierten grandes cantidades de dinero para mejorar este aspecto. Cuando se habla de aerodinámica, una de las palabras que vendrá a tu cabeza será avión. Pero no sólo está relacionada con la sustentación de un avión, también con los coches, los aerogeneradores...Para entenderlo mejor, primero explicaré ciertos conceptos básicos de la aerodinámica en general, para después ver las aplicaciones en la F1.
El Teorema de Bernuolli tiene mucha importancia en la aerodinámica. Este teorema dice que al aumentar la velocidad de un fluido (el aire por ejemplo), su presión disminuye, y lo mismo ocurre al contrario. De aquí podemos sacar muchas conclusiones. La sustentación se produce debido a este teorema. Los aviones tienen alas, las cuales les permiten sustentarse. ¿Pero cómo? El ala es plana por la parte inferior, pero por la parte superior presenta una abultación. Para que lo entendais mejor, coged una gota de agua, partirla por la mitad y girarla hacia la derecha (todo esto mentalmente, no lo intentéis). Ese es el perfil de un ala de avión. El aire incide sobre ella, el de la parte inferior tiene una velocidad x, pero el de la parte superior tiene un recorrido mayor (debido a ese ``abultamiento´´) que debe efectuar en el mismo período de tiempo que el de la parte inferior. Para ello debe aumentar su velocidad. Como ya hemos dicho, esto causa una menor presión. Por tanto, al haber más presión en la parte inferior que en la superior el ala hace que el avión se eleve. Para ello, obviamente, debe haber un flujo de aire, que se conseguirá con la velocidad proporcionada por el empuje de los motores. Además este flujo debe ser considerable para que este fenomeno se produzca, no vale un simple soplo de aire (en un avión).
La resistencia aerodinámica o rozamiento es la resistencia producida en sentido contrario al movimiento de un cuerpo debido a su forma. Cuando el aire tiene que modificar su trayectoria, se crea na resistencia. Esto depende de la forma del objeto. Un plano aerodinámico (ala) crea menos que una esfera, yesta menos que una superficie cuadrangular (una pared). En esto influyen también las turbulencias creadas tras el paso del cuerpo. En los coches esta resistencia se indica como Cx. Cuanto mayor sea, más resistencia, lo cual originara mayores consumos, menos aceleraciones y velocidad punta etc. El perfil más aerodinámico sería más o menos el de una gota de agua (sin partirla) girada hacia la derecha (suponiendo que se vaya a mover hacia la izquierda). Es un buen ejemplo el Audi A2, el cual es posiblemente el coche más aerodinámico del mercado.
Mencionaré también la capa límite, que es la capa de aire que se encuentra en contacto o más cerca del cuerpo. Esta capa debe tenerse en cuenta ya que se pueden producir perdidas de sustentación al desprenderse. Puede ser laminar o turbulenta. En una esfera se desprende más fácilmente que en un plano aerodinámico, lo cual produce turbulencias. No entraré en más detalles ya que no es necesario por ahora.
Todo lo anterior es teoría, que varía en función de muchos factores (temperatura, presión, densidad...). Pero toda esta teoría, ¿cómo la aplicamos a un F1?
Comencemos con el teorema de Bernuolli. En un avión se usa para que vuele, pero eso no es necesario en un F1. Este teorema se usa en los F1, pero invertido. Esto significa que en vez de producir sustentación para elevarse lo hace para descender, para pegarse más al asfalto. Pero, ¿para qué vale esto? Como ya he explicado en otros tutoriales, las curvas producen fuerza centrífuga que expulsa al coche de ella. Para vencer esta fuerza, es necesaria una gran adherencia que se consigue con esto. Esta adherencia producida por la aerodinámica se llama Downforce. La contraria es la lift force (hacia arriba). Vale, mejora en las curvas, pero, ¿en las rectas? En las rectas empeora su velocidad punta, pero actualmente es muy importante el paso por curva. Este empeoramiento se debe a el Drag (resistencia aerodinámica). Producir Downforce no es muy complicado, el problema es hacerlo produciendo la menor cantidad de resistencia. Esta relación se llama Ef (eficiencia aerodinámica) y es el valor que se intenta mejorar siempre (Downforce/Drag). La resistencia (al igual que la Downforce) depende en gran parte del ángulo de ataque del ala, es decir de la inclinación de éste. Los monoplazas son debido a su forma casi como un ala. Se puede pensar que el Cx de los monoplazas será más bajo que el de los turismos normales, pero esto no es así. Es el precio de generar mucha downforce. Para ganar Ef, trabajan en el túnel de viento, que produce corrientes de aire a gran velocidad para estudiar su incidencia en el monoplaza. También se usa el CFD (simulación por ordenador) . La función de la aerodinámica en un F1 es la de proporcionar la máxima downforce (que se transmite a los neumáticos suponiendo mayor adherencia) con la mínima resistencia inducida (drag). Se intenta mejorar el flujo del aire y crear las mínimas turbulencias. Para ello se usan: Alerones (delantero y trasero), pontones, efecto suelo, difusor y otros apéndices (aletines, sidepods, paliers...). Más o menos se producen unos 1400 kg de Downforce (30 % del alerón delantero, 40 del trasero y 30 de los pontones y laterales). Explicaré que es el efecto suelo y el difusor,el resto (alerones, aletines etc.) son alas invertidas (más o menos) que pueden tener varios planos para limitar las turbulencias y mejorar la Ef. El efecto suelo se produce cuando la distancia entre el suelo y el coche es baja. Es un efecto de succión, el coche se pega más al suelo, más downforce. Pero esta prohibido. El difusor es un elemento situado en la parte trasera del monoplaza. Se usa para extraer el aire que circula por la parte inferior del monoplaza. El efecto suelo se consigue creando una menor presión en la parte inferior del monoplaza. Para ello se usaban unos canales por debajo del monoplaza que conducían el aire. El problema surgía cuando había un bache, ya que este efecto dejaba de producirse y el coche se volvía inestable (alguna vez habreís visto como ``despegan´´).
Como vereís la aerodinamica es algo complicada, pero espero haberos aportado algún conocimiento más.
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Autor: Sergio Porres González http://cochesmasf1.blogspot.com/Este documento ha sido realizado para aquellos que quieran saber más acerca de la F1 y la mecánica en general . Si alguien quiere publicarlo, que contacte con su autor: sergioporresgonzalez@gmail.com
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La aerodinámica es una parte fundamental en el rendimiento de los monoplazas de F1, sobre todo debido a las actuales limitaciones en cuestiones de desarrollo de motores, suspensiones etc. Por ello, se invierten grandes cantidades de dinero para mejorar este aspecto. Cuando se habla de aerodinámica, una de las palabras que vendrá a tu cabeza será avión. Pero no sólo está relacionada con la sustentación de un avión, también con los coches, los aerogeneradores...Para entenderlo mejor, primero explicaré ciertos conceptos básicos de la aerodinámica en general, para después ver las aplicaciones en la F1.
El Teorema de Bernuolli tiene mucha importancia en la aerodinámica. Este teorema dice que al aumentar la velocidad de un fluido (el aire por ejemplo), su presión disminuye, y lo mismo ocurre al contrario. De aquí podemos sacar muchas conclusiones. La sustentación se produce debido a este teorema. Los aviones tienen alas, las cuales les permiten sustentarse. ¿Pero cómo? El ala es plana por la parte inferior, pero por la parte superior presenta una abultación. Para que lo entendais mejor, coged una gota de agua, partirla por la mitad y girarla hacia la derecha (todo esto mentalmente, no lo intentéis). Ese es el perfil de un ala de avión. El aire incide sobre ella, el de la parte inferior tiene una velocidad x, pero el de la parte superior tiene un recorrido mayor (debido a ese ``abultamiento´´) que debe efectuar en el mismo período de tiempo que el de la parte inferior. Para ello debe aumentar su velocidad. Como ya hemos dicho, esto causa una menor presión. Por tanto, al haber más presión en la parte inferior que en la superior el ala hace que el avión se eleve. Para ello, obviamente, debe haber un flujo de aire, que se conseguirá con la velocidad proporcionada por el empuje de los motores. Además este flujo debe ser considerable para que este fenomeno se produzca, no vale un simple soplo de aire (en un avión).
La resistencia aerodinámica o rozamiento es la resistencia producida en sentido contrario al movimiento de un cuerpo debido a su forma. Cuando el aire tiene que modificar su trayectoria, se crea na resistencia. Esto depende de la forma del objeto. Un plano aerodinámico (ala) crea menos que una esfera, yesta menos que una superficie cuadrangular (una pared). En esto influyen también las turbulencias creadas tras el paso del cuerpo. En los coches esta resistencia se indica como Cx. Cuanto mayor sea, más resistencia, lo cual originara mayores consumos, menos aceleraciones y velocidad punta etc. El perfil más aerodinámico sería más o menos el de una gota de agua (sin partirla) girada hacia la derecha (suponiendo que se vaya a mover hacia la izquierda). Es un buen ejemplo el Audi A2, el cual es posiblemente el coche más aerodinámico del mercado.
Mencionaré también la capa límite, que es la capa de aire que se encuentra en contacto o más cerca del cuerpo. Esta capa debe tenerse en cuenta ya que se pueden producir perdidas de sustentación al desprenderse. Puede ser laminar o turbulenta. En una esfera se desprende más fácilmente que en un plano aerodinámico, lo cual produce turbulencias. No entraré en más detalles ya que no es necesario por ahora.
Todo lo anterior es teoría, que varía en función de muchos factores (temperatura, presión, densidad...). Pero toda esta teoría, ¿cómo la aplicamos a un F1?
Comencemos con el teorema de Bernuolli. En un avión se usa para que vuele, pero eso no es necesario en un F1. Este teorema se usa en los F1, pero invertido. Esto significa que en vez de producir sustentación para elevarse lo hace para descender, para pegarse más al asfalto. Pero, ¿para qué vale esto? Como ya he explicado en otros tutoriales, las curvas producen fuerza centrífuga que expulsa al coche de ella. Para vencer esta fuerza, es necesaria una gran adherencia que se consigue con esto. Esta adherencia producida por la aerodinámica se llama Downforce. La contraria es la lift force (hacia arriba). Vale, mejora en las curvas, pero, ¿en las rectas? En las rectas empeora su velocidad punta, pero actualmente es muy importante el paso por curva. Este empeoramiento se debe a el Drag (resistencia aerodinámica). Producir Downforce no es muy complicado, el problema es hacerlo produciendo la menor cantidad de resistencia. Esta relación se llama Ef (eficiencia aerodinámica) y es el valor que se intenta mejorar siempre (Downforce/Drag). La resistencia (al igual que la Downforce) depende en gran parte del ángulo de ataque del ala, es decir de la inclinación de éste. Los monoplazas son debido a su forma casi como un ala. Se puede pensar que el Cx de los monoplazas será más bajo que el de los turismos normales, pero esto no es así. Es el precio de generar mucha downforce. Para ganar Ef, trabajan en el túnel de viento, que produce corrientes de aire a gran velocidad para estudiar su incidencia en el monoplaza. También se usa el CFD (simulación por ordenador) . La función de la aerodinámica en un F1 es la de proporcionar la máxima downforce (que se transmite a los neumáticos suponiendo mayor adherencia) con la mínima resistencia inducida (drag). Se intenta mejorar el flujo del aire y crear las mínimas turbulencias. Para ello se usan: Alerones (delantero y trasero), pontones, efecto suelo, difusor y otros apéndices (aletines, sidepods, paliers...). Más o menos se producen unos 1400 kg de Downforce (30 % del alerón delantero, 40 del trasero y 30 de los pontones y laterales). Explicaré que es el efecto suelo y el difusor,el resto (alerones, aletines etc.) son alas invertidas (más o menos) que pueden tener varios planos para limitar las turbulencias y mejorar la Ef. El efecto suelo se produce cuando la distancia entre el suelo y el coche es baja. Es un efecto de succión, el coche se pega más al suelo, más downforce. Pero esta prohibido. El difusor es un elemento situado en la parte trasera del monoplaza. Se usa para extraer el aire que circula por la parte inferior del monoplaza. El efecto suelo se consigue creando una menor presión en la parte inferior del monoplaza. Para ello se usaban unos canales por debajo del monoplaza que conducían el aire. El problema surgía cuando había un bache, ya que este efecto dejaba de producirse y el coche se volvía inestable (alguna vez habreís visto como ``despegan´´).
Como vereís la aerodinamica es algo complicada, pero espero haberos aportado algún conocimiento más.
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Autor: Sergio Porres González http://cochesmasf1.blogspot.com/Este documento ha sido realizado para aquellos que quieran saber más acerca de la F1 y la mecánica en general . Si alguien quiere publicarlo, que contacte con su autor: sergioporresgonzalez@gmail.com
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