La aerodinámica en un inicio fue el patito feo de la automoción. Durante muchos años sólo se veía como un lastre que impedía al coche alcanzar más velocidad. Esa resistencia que opone al aire se puede calcular teóricamente como la multiplicación de la densidad del aire partido por dos por la velocidad con respecto al aire al cuadrado por la superficie frontal del vehículo y por un coeficiente llamado Cx, drag coefficient, Cd o Cx, depende del idioma de uso.
De la ecuación anterior nos quedan dos cosas importantes. La primera es que el valor de la velocidad es cuadrático, esto es, al doble de velocidad la fuerza aerodinámica que debemos vencer es cuatro veces superior. Con números y simplificando mucho, si a 100 km/h gastamos 6 litros a los 100 km, a 141 km/h gastamos 12 l/100 km y a 200 km/h 24 l/100 km, ¡sólo por la resistencia al aire!
La densidad del aire la podemos obviar, ya que cuando comparamos la aerodinámica de dos vehículos los compararemos con el mismo aire, e incluso, con la misma velocidad. Por lo que nos quedan dos términos importantes:
- El área frontal del vehículo
- El coeficiente Cx
De aquí podemos deducir que cuanta menos superficie tenga un vehículo, menos resistencia va a tener al aire, lógico ¿no? Así se explican los deportivos de la época que llamamos bólidos, que significa con forma de bala con la mínima superficie de ataque.
En cuanto al Cx también podemos decir lo mismo. Cuanto menor sea ese número, mejor. Sólo en los últimos años hemos podido calcular ese coeficiente por ordenador, anteriormente era un valor empírico que se calculaba en túneles de viento. Desde los inicios, muchas marcas de vehículos estaban muy relacionadas con la navegación aérea, como Voisin y diseñaban vehículos con líneas curvadas y alargadas para mejorar la penetración al aire en años tan tempranos como la década de los 20. El premio se lo podemos dar a Tatra con el modelo 77. En 1934 produjo el primer vehículo de serie realmente aerodinámico. Y no sólo aerodinámico, si no muy aerodinámico. Se calculó con una maqueta 1:5 un Cx de 0,2455, muy bueno incluso hoy en día.
Resumiendo: menos es más
Seguimos con la máxima de menos es más. Pero alguien empezó a pensar de manera diferente. En 1956 Michael May intentó colocar un alerón en un Porsche 550, aunque no le fue permitido. Este señor fue el primero, que sepamos, que intentó aprovechar la fuerza del aire para mejorar el rendimiento del vehículo a su paso por curva.
Ya en los años sesenta, dado que los coches alcanzaban velocidades muy altas, los ingenieros se toparon con un problema. No sólo era que el aire hacía que no pudiéramos correr más, si no que a altas velocidades los coches se volvían inestables. ¿Por qué pasaba esto?
Simplificando mucho, el perfil de un automóvil es un ala de avión al revés, el rendimiento no es muy bueno como ala, la verdad, pero al pasar de 200 km/h ya empieza a notarse que perdemos el contacto con el suelo, a 250 km/h es muy crítico conducir con un vehículo si no tiene la carga aerodinámica muy estudiada.
Aparece este nuevo concepto, carga aerodinámica¸ éste indica qué hace el aire a su paso por el vehículo. Decimos que es positiva cuando tira del coche hacia arriba y negativa cuando presiona hacia abajo. ¿Qué es mejor, la carga positiva o la negativa? Empiezan a aparecer conceptos que no son lógicos al principio.
Para un vehículo terrestre es mejor la carga negativa, para que el aire presione al coche. De esta manera hacemos que el coche se pegue más a la carretera. Así conseguimos un mejor paso por curva y un movimiento más estable. Muy bien, pero ¿por qué el coche se eleva? Volvamos al perfil de un automóvil, tenemos dos flujos de aire que entran por el frontal del coche, recorren su perfil y salen por la parte trasera. El recorrido no es el mismo. El flujo superior recorre un camino mayor que el inferior, resumiendo otra vez, si entran juntos y salen juntos y uno recorre más camino que otro, la velocidad del superior debe ser mayor. La física nos dice que, a mayor velocidad, menor presión.
¿Un ejemplo? Tengo uno con otro fluido. Imaginemos que estamos regando con una manguera, si su boca está totalmente abierta, la manguera está fofa. Si la vamos cerrando, vemos que se va endureciendo, hasta que llega a su máxima presión cuando la cerramos totalmente. Otro ejemplo más directo, pero con un solo flujo de aire, coge una hoja de papel, sostenla en horizontal pegada a la boca y sopla con fuerza justo por encima de ella, ¡el papel se eleva, magia!
Pues bien, tenemos dos flujos de aire, el superior con una presión más baja que el inferior, con lo que el inferior empuja hacia arriba el coche. Lo que habíamos dicho antes, un ala, pero al revés. ¿Cómo hacemos para reducir esa presión positiva para que el coche no ascienda? Volvamos más arriba. Dijimos que la alta velocidad de la parte superior es la que produce el empuje ascensional, pues ¡estropeemos el flujo superior para que su velocidad sea inferior! En inglés, to spoil significa arruinar, estropear, spoiler es un estropeador. Visto así, le quita un poco de glamour.
Pocos años antes de los sesenta teníamos los Mercedes SL y Jaguar Type E como ejemplo de berlinas aerodinámicas, líneas muy suaves y cada vez más perfiladas
Después de los 60 empezaron a aparecer los spoilers. El ejemplo que más me gusta es el Ferrari 250 GTO, unos cuantos años antes fue el propio Enzo el que dijo que “la aerodinámica es para los que no saben hacer motores”. En el 62 se desdijo de sus palabras construyendo el GTO con bajito, el morro plano y en cuña, pequeño spoiler trasero y cola truncada. Desde ese modelo la aerodinámica es una parte muy importante de cualquier Ferrari y deportivo en general.
Resumiendo. En números, podemos obtener unos 80 kg de fuerza por tener un spoiler trasero, no es mucho, pero se puede compensar la fuerza ascendente de un turismo. Como ventaja, el colocar un spoiler no tiene por qué empeorar el Cx, esto es, no merma la velocidad máxima, aumenta la estabilidad a alta velocidad y nos ayuda un poco en el paso de curva.
Buena solución esta de los spoilers, pero puestos correctamente; olvidaos de los spoilers en el maletero de un compacto (adiós AX). Seguimos con los spoilers
Otra evolución son los spoilers delanteros, cajas, bandejas y demás. El por qué funciona es algo menos claro. Podemos decir que al reducir el flujo inferior de aire, creamos algo de vacío en la parte inferior. Recordad que cuando pasamos por encima de unas hojas, llegamos a subirlas, eso significa que hacemos un vacío.
En esta parte podemos decir que cuanto más cercano al suelo, mejor. El problema son los bordillos, las rampas de los aparcamientos y la refrigeración; los hace poco prácticos en turismos. Este año han aparecido dos turismos con bandejas con altura variable, el M4 y el Giulia Quadrifoglio, que varían su altura según la velocidad. El otro problema es la refrigeración del motor y frenos, debemos prever esas entradas, que reducen el efecto del spoiler. Debe haber un equilibrio entre ventilación y aerodinámica. Durante unos años se cerraban los bajos delanteros, aunque no eran spoilers efectivos, hoy en día aparecen diseños con bocas muy grandes que realmente están medio tapadas. Recordad el Audi Q7, por ejemplo.
Resumen de los spoilers delanteros: cuanto más bajos y cerrados mejor. Con este sistema podemos obtener unos 35 kg más de empuje. No parece mucho, pero con los 80 kg del trasero ya superamos a la elevación. Mejor incluso es que podemos equilibrar el reparto de pesos aerodinámicos haciendo el coche más neutro, o como queramos.
Vamos a lo serio, alerones.
Primero, ¿qué es un alerón y qué es un spoiler?
La diferencia es que un spoiler es un apéndice aerodinámico pegado al vehículo. Un alerón es un plano aerodinámico separado del vehículo. Un alerón no es más que un ala invertida. El funcionamiento es muy simple, si consigue mantener en el aire a los aviones, al ponerlo al revés el empuje es contrario, por lo que aumentará nuestro apoyo aerodinámico.
El primer alerón apareció sobre un Chaparral 2E (imagen superio) en 1966 gracias al ingeniero/piloto Jim Hall. Al parecer se volvió a inventar después de olvidar a Michael May.
Del alerón también podemos decir que cuanto más grande mejor. El ángulo también es muy importante, a medida que aumentamos su inclinación conseguiremos más apoyo y empeorará un poco nuestro Cx. Si superamos el ángulo crítico sólo empeoraremos nuestro Cx sin mejorar el apoyo. Imaginad que lo ponemos vertical, a 90º, absurdo ¿no? En la práctica este ángulo suele ser de unos 15 grados.
El problema es que a medida que aumenta el tamaño del alerón y su empuje, reduce el Cx. Esto es, nos molestará a la hora de obtener una velocidad muy alta, por el contrario, permite un mejor paso por curva y mejor estabilidad a alta velocidad. Como siempre hay que buscar un equilibrio para obtener las mejores prestaciones a costa de sacrificar un poco la velocidad punta. O utilizar el DRS de la Fórmula 1. Los monoplazas siempre tienen el alerón trasero a la misma inclinación, con lo que tienen mucho apoyo en curvas, pero pierden punta. Cuando se permite el DRS simplemente se permite anular al alerón, ponerlo plano.
De esta manera se reduce el Cx y aumenta su velocidad punta. Algo así hacen vehículos de muy alta gama, con alerones escamoteables o con plano variable. Un ejemplo muy visible es el del Bugatti Veyron.
En números, un alerón de 0,9 x 0,3 metros puede generar unos 40 kg a 160 km/h. No parece mucho, pues ponemos más elementos. Podemos añadir otros planos delante y detrás del alerón principal para aumentar el empuje y reducir el problema del ángulo crítico. Además podemos añadir derivas laterales (planos verticales en los extremos). Así podemos conseguir apoyos de 600 kg a 320 km/h. Las derivas laterales de los alerones pueden ser responsables del 30% del rendimiento del alerón, lo que hacen es dirigir el flujo de aire y no permitir que se pierda la corriente de alta velocidad. Además, ocultan el perfil del alerón para que no lo pueda copiar la competencia y le podemos poner pegatinas del patrocinador. Negocio redondo.
Lo mejor de los alerones es que los podemos poner tanto delante como detrás, es más, debemos equilibrar el apoyo delantero con el trasero. Si tenemos muchísimo apoyo trasero corremos el peligro de perder el tren delantero a alta velocidad. Si tenemos muchísimo apoyo delantero, perderemos adherencia en el tren trasero. Como siempre hay que equilibrar la aerodinámica.
Para los alerones delanteros la máxima es cuanto más cerca del suelo mejor (y por supuesto cuanto más grande). El rendimiento de un alerón delantero a 100 mm del suelo o a 120 mm es más o menos el mismo, pero a medida que nos acercamos al suelo, esos 20 mm pueden afectar muchísimo. Si vamos tocando el suelo es cuando más rendimiento tendremos, pero surge un problema por esa altura. Si el coche modifica su altura unos cuantos mm, por un bache, por ejemplo, la altura se verá modificada, por lo que el apoyo aerodinámico también será afectado. Esto hace al coche inestable en esas condiciones, por lo que no es recomendable colocar un alerón pegado al suelo. Es más recomendable ponerlo a una altura tal que el movimiento de la suspensión no afecte de manera importante al apoyo aerodinámico.
Para los traseros, cuanto más altos mejor para que puedan aprovechar el aire limpio (sin turbulencias) y tener mejor rendimiento.
En otras palabras, la aerodinámica ha pasado de ser un lastre a ser un gran aliado. Debemos buscar el compromiso para obtener el agarre necesario y no perjudicar demasiado a nuestro Cx. Esta técnica es más aplicada en carreras que en carreteras por varios motivos. Los alerones, sobre todo los delanteros, son incómodos en el día a día. Además, a la velocidad a la que se suelen desplazar los turismos no son tan necesarios.
Efecto suelo, la verdad insondable
Ya estamos en los años 70. La aerodinámica había evolucionado mucho, pero aún quedaba una gran sorpresa. Podemos decir que el Lotus 78 fue el primer vehículo que utilizó el efecto suelo tal y como lo conocemos. Empezaron con las famosas faldillas laterales de gomas, que podían salir lanzadas, y al perder su efecto, el coche también. Hoy en día el efecto suelo es más conservador.
El fundamento es el siguiente. Debemos poner el fondo del coche plano y en cuña invertida. La parte delantera cercana al suelo y la trasera separada. De esta manera pasa una mínima cantidad de aire por un espacio pequeño, ese espacio se va agrandando por lo obligamos a que ese aire ocupe más volumen hasta que salen por la parte trasera (difusor), estamos generando vacío. Estamos pegando el coche a la carretera, podemos tomar las curvas a mucha mayor velocidad y lo hacemos más estable a alta.
¿Por qué es tan importante el efecto suelo? El efecto suelo no tiene tanto rendimiento por metro cuadrado como un alerón, de acuerdo, pero un alerón es una parte muy pequeña del vehículo. Con el efecto suelo, el coche entero es un alerón. ¡Maravilloso!
También tenemos el problema de inestabilidad si varía bruscamente la altura del vehículo. La F1 explotó este efecto con la altura variable de la suspensión
Como siempre, el fundamento es muy sencillo, pero la aerodinámica real es muy compleja. A la hora de generar el efecto suelo tenemos una serie de impedimentos, ruedas, frenos, salidas de fluidos, ventilación de los radiadores, espacios en los maleteros, etc. En los coches de competición está muy regulado, siendo más permisiva la IndyCar que la F1. Sólo los turismos superdeportivos suelen trabajar con este sistema, algunos incluso llevan el difusor con inclinación variable (LaFerrari por ejemplo).
Como ejemplo práctico, uno que vi por televisión. Recortamos un trozo de papel alargado. Plegamos dos de sus extremos a 90 grados formando una U. La ponemos al revés, ponemos una cañita debajo de esa U invertida y soplamos con fuerza. Mágicamente la parte superior baja, estamos creando un vacío.
Definitivamente la aerodinámica es nuestra aliada. Conseguimos mucho mejor paso por curva si sacrificar demasiado la punta. Para el vehículo, el fondo cuanto más plano mejor, cuanto más pequeña sea la entrada y más abierta la salida, mejor. Ahora es cuando os puede entrar la risa al ver a un SUV con algo parecido a un difusor debajo del maletero.
Resumiendo, empezamos viendo que la aerodinámica era un lastre para nosotros, nos impedía correr y hacía el coche inestable. Con unos pequeños apéndices por aquí y por allá conseguimos que el coche fuera neutro. Poco después, colocando unos alerones aquí y allí conseguimos que el coche se pegara mucho más a la carretera, aunque perdiéramos algo de punta, pero mejor en resumen. Al final nos dimos cuenta de que todo puede ser aerodinámico, no sólo los alerones. Cualquier plano que forme la suspensión puede ser un alerón, los pontones de los F1 pueden ser alas invertidas, incluso todo el fondo puede ser una ventosa. La aerodinámica ha pasado de ser una pequeña parte a intervenir en cualquier elemento, incluso posición de motor, escapes, forma de chasis, etc.