Efecto suelo (automóviles)

En el diseño de automóviles, el efecto suelo es una serie de efectos que se han aprovechado en la aerodinámica automotriz para crear carga aerodinámica , particularmente en los autos de carreras. Este ha sido el sucesor del enfoque aerodinámico dominante anterior en la racionalización . La serie internacional de Fórmula Uno y las carreras estadounidenses IndyCars emplean efectos suelo en su ingeniería y diseños. De manera similar, también se emplean en cierta medida en otras series de carreras; sin embargo, en toda Europa, muchas series emplean regulaciones (o prohibiciones totales) para limitar su efectividad por razones de seguridad.

En los coches de carreras, el objetivo de un diseñador es aumentar la carga aerodinámica y el agarre para alcanzar velocidades más altas en las curvas. Se puede obtener una cantidad sustancial de carga aerodinámica al comprender que el suelo es parte del sistema aerodinámico en cuestión, de ahí el nombre de "efecto suelo". A partir de mediados de la década de 1960, las "alas" se utilizaron de manera rutinaria en el diseño de coches de carreras para aumentar la carga aerodinámica (que no es un tipo de efecto suelo). Los diseñadores centraron sus esfuerzos en comprender el flujo de aire alrededor del perímetro, los faldones de la carrocería y los lados inferiores del vehículo para aumentar la carga aerodinámica con menos resistencia que en comparación con el uso de un alerón.

Este tipo de efecto suelo se ilustra fácilmente sacando una lona en un día ventoso y sosteniéndola cerca del suelo: se puede observar que, cuando está lo suficientemente cerca del suelo, la lona se arrastrará hacia el suelo. Esto se debe al principio de Bernoulli : a medida que la lona se acerca al suelo, el área de la sección transversal disponible para el aire que pasa entre ella y el suelo se reduce. Esto hace que el aire se acelere y, como resultado, la presión debajo de la lona disminuye mientras que la presión en la parte superior no se ve afectada, y en conjunto esto da como resultado una fuerza neta hacia abajo. Los mismos principios se aplican a los automóviles.

El principio de Bernoulli no es el único aspecto de la mecánica que genera la carga aerodinámica por efecto suelo. Una gran parte del rendimiento del efecto suelo proviene del aprovechamiento de la viscosidad . En el ejemplo de la lona anterior, ni la lona ni el suelo se mueven. La capa límite entre las dos superficies actúa para ralentizar el aire entre ellas, lo que reduce el efecto Bernoulli. Cuando un coche se mueve sobre el suelo, la capa límite sobre el suelo resulta útil. En el marco de referencia del coche, el suelo se mueve hacia atrás a cierta velocidad. A medida que el suelo se mueve, tira del aire que está por encima de él y hace que se mueva más rápido. ^{[ dudoso – discutir ]} Esto mejora el efecto Bernoulli y aumenta la carga aerodinámica. Es un ejemplo de flujo de Couette .

Aunque a estas técnicas aerodinámicas que generan carga aerodinámica a menudo se las denomina con el término general de "efecto suelo", en sentido estricto no son el resultado del mismo fenómeno aerodinámico que el efecto suelo que se observa en los aviones a altitudes muy bajas .

El estadounidense Jim Hall desarrolló y construyó sus coches Chaparral en torno a los principios del efecto suelo, siendo pionero en ellos. Su coche de 1961 intentó utilizar el método de la parte inferior con forma, pero había demasiados otros problemas aerodinámicos con el coche como para que funcionara correctamente. Sus coches de 1966 utilizaban un alerón alto espectacular para su carga aerodinámica. Su "coche de succión" Chaparral 2J de 1970 fue revolucionario. Tenía dos ventiladores en la parte trasera del coche impulsados ​​por un motor de dos tiempos dedicado ; también tenía "faldones", que dejaban solo un espacio mínimo entre el coche y el suelo, para sellar la cavidad de la atmósfera. Aunque no ganó una carrera, algunos competidores habían presionado para su prohibición, que entró en vigor a finales de ese año. Los dispositivos aerodinámicos móviles fueron prohibidos en la mayoría de las ramas del deporte. ^[1]

En 1968, el diseñador e ingeniero argentino Heriberto Pronello desarrolló el Pronello Huayra-Ford para la categoría Sport Prototipo Argentino , ^[2] haciendo su primera aparición en Córdoba para la temporada 1969 con Carlos Reutemann y Carlos Pascualini como pilotos.

Durante 1968 se realizó un modelo a escala 1/5, que fue probado en el túnel de viento de la Fábrica Militar de Aviones (FMA) empleada habitualmente por la Fuerza Aérea Argentina , demostrando la funcionalidad del efecto suelo a esa escala. En 2023, el chasis #002 del Pronello Huayra fue invitado al Goodwood Festival Of Speed . Durante su estadía en Inglaterra , el auto fue llevado al túnel de Catesby , donde se realizó un completo análisis aerodinámico a cargo del ingeniero y profesor argentino Sergio Rinland .

“Siempre pensamos que tenía efecto suelo… Cuando Heriberto lo probó en la Universidad Nacional de Córdoba, comprobó su resistencia al aire con un modelo a escala 1/5 que era perfecto, sin aberturas de puertas y capó, sin las torretas de admisión…”, dijo Rinland. ^[3]

“Las pruebas que hicimos en el túnel de Catesby demostraron su gran eficiencia aerodinámica: obtuvimos un Cx 0,25 con la cola corta y un Cx 0,23 con la cola larga, que utilizó en los circuitos más rápidos. Casi, casi lo que había medido Heriberto en su momento” ^[4]

“ Tiene una forma superior resbaladiza y un piso plano con un difusor que le dio una ventaja bastante grande en su época. El difusor tiene una relación de expansión que lo coloca asombrosamente cerca de la carga aerodinámica máxima que se puede obtener de un difusor. El auto estuvo en el túnel con cintas de presión añadidas, para observar la distribución de la presión alrededor del auto, lo que parece confirmar por completo que funciona exactamente como el diseñador esperaba”, explicó Willem Toet . Estas pruebas se llevaron a cabo con y sin la "cola larga" que se usaba para circuitos de alta velocidad, con el vehículo propulsado por sus propios medios, a temperatura de trabajo, arrojando resultados consistentes y repetibles. ^{[5] [6]}

La Fórmula 1 fue el siguiente escenario para el efecto suelo en los coches de carreras. Varios diseños de Fórmula 1 se acercaron a la solución de efecto suelo que finalmente implementaría Lotus. En 1968 y 1969, Tony Rudd y Peter Wright de British Racing Motors (BRM) experimentaron en la pista y en el túnel de viento con alforjas laterales de sección aerodinámica larga para limpiar el flujo de aire turbulento entre las ruedas delanteras y traseras. Ambos dejaron el equipo poco después y la idea no se llevó más lejos. Robin Herd de March Engineering , por sugerencia de Wright, utilizó un concepto similar en el coche de Fórmula 1 March de 1970. En ambos coches, los pontones estaban demasiado lejos del suelo para que se generara un efecto suelo significativo, y la idea de sellar el espacio debajo de la sección del alerón al suelo aún no se había desarrollado. ^[1]

Casi al mismo tiempo, Shawn Buckley comenzó su trabajo en 1969 en la Universidad de California, Berkeley sobre la aerodinámica de los bajos del vehículo, patrocinado por Colin Chapman , fundador de Lotus de Fórmula Uno . Buckley había diseñado previamente el primer alerón alto utilizado en un IndyCar , el "Bat Car" de Jerry Eisert de las 500 Millas de Indianápolis de 1966. Al dar la forma adecuada a la parte inferior del coche, se podía aumentar la velocidad del aire allí, lo que reducía la presión y empujaba el coche hacia la pista. Sus vehículos de prueba tenían un canal tipo Venturi debajo de los coches sellado por faldones laterales flexibles que separaban el canal de la aerodinámica superior del coche. Investigó cómo la separación del flujo en el canal de la superficie inferior podía verse influenciada por los parámetros de succión y divergencia de la capa límite de la superficie inferior de la carrocería. ^{[7] [8] [9]} Más tarde, como profesor de ingeniería mecánica en el MIT , Buckley trabajó con Lotus desarrollando el Lotus 78 .

En otro orden de cosas, el diseñador de Brabham, Gordon Murray, utilizó deflectores de aire en la parte delantera de sus Brabham BT44 en 1974 para evitar que el aire fluyera por debajo del vehículo. Al descubrir que estos deflectores tendían a desgastarse con el movimiento de cabeceo del coche, los colocó más atrás y descubrió que se formaba una pequeña zona de presión negativa debajo del coche, lo que generaba una cantidad útil de carga aerodinámica: alrededor de 70 kg (150 lb). McLaren produjo detalles similares en los bajos de la carrocería para su diseño McLaren M23. ^[1]

En 1977, Rudd y Wright, ahora en Lotus, desarrollaron el "coche de alas" Lotus 78 , basado en un concepto del propietario y diseñador de Lotus, Colin Chapman . Sus pontones, construcciones voluminosas entre las ruedas delanteras y traseras, tenían forma de perfiles aerodinámicos invertidos y estaban sellados con "faldones" flexibles al suelo. El diseño de los radiadores, incrustados en los pontones, se basó en parte en el de los aviones De Havilland Mosquito . ^[10] El equipo ganó cinco carreras ese año y dos en 1978 mientras desarrollaban el muy mejorado Lotus 79. El contendiente más notable en 1978 fue el Brabham - Alfa Romeo BT46B Fancar, diseñado por Gordon Murray. Su ventilador, que giraba sobre un eje longitudinal horizontal en la parte trasera del coche, tomaba su energía de la caja de cambios principal. El coche evitó la prohibición deportiva afirmando que el propósito principal del ventilador era enfriar el motor, ya que menos del 50% del flujo de aire se usaba para crear una depresión debajo del coche. El coche corrió solo una vez, con Niki Lauda ganando en el Gran Premio de Suecia de 1978. La ventaja del coche quedó demostrada después de que la pista se llenó de aceite. Mientras que otros coches tuvieron que reducir la velocidad, Lauda pudo acelerar sobre el aceite debido a la tremenda carga aerodinámica que aumentaba con la velocidad del motor. ^[11] También se observó que el coche se agachaba cuando se aceleraba el motor en parado. ^[12] El propietario de Brabham, Bernie Ecclestone , que recientemente se había convertido en presidente de la Asociación de Constructores de Fórmula Uno , llegó a un acuerdo con otros equipos para retirar el coche después de tres carreras. Sin embargo, la Fédération Internationale de l'Automobile (FIA), organismo rector de la Fórmula Uno y muchas otras series de deportes de motor, decidió prohibir los "coches de aficionados" con efecto casi inmediato. ^[13] El Lotus 79, por otro lado, ganó seis carreras y el campeonato mundial para Mario Andretti y le dio a su compañero de equipo Ronnie Peterson un segundo puesto póstumo, lo que demuestra cuánta ventaja tenían los coches. En los años siguientes, otros equipos copiaron y mejoraron el Lotus hasta que las velocidades en las curvas se volvieron peligrosamente altas, lo que provocó varios accidentes graves en 1982 ; los bajos planos se volvieron obligatorios en 1983. ^[14]Parte del peligro de depender del efecto suelo para tomar curvas a altas velocidades es la posibilidad de que esta fuerza desaparezca repentinamente; si la parte inferior del coche entra en contacto con el suelo, el flujo se restringe demasiado, lo que provoca una pérdida casi total de cualquier efecto suelo. Si esto ocurre en una curva en la que el piloto depende de esta fuerza para mantenerse en la pista, su desaparición repentina puede provocar que el coche pierda abruptamente la mayor parte de su tracción y se salga de la pista.

Después de una prohibición de cuarenta años, el efecto suelo regresó a la Fórmula 1 en 2022 bajo el último conjunto de cambios regulatorios.

El efecto se utilizó en su forma más efectiva en los diseños de IndyCar . Los IndyCars no utilizaban el efecto suelo de forma tan sustancial como los de Fórmula 1. Por ejemplo, no utilizaban faldones para sellar la parte inferior del coche. Los IndyCars también iban más altos que los coches de F1 con efecto suelo y también dependían de los alerones para lograr una carga aerodinámica significativa, lo que creaba un equilibrio eficaz entre la carga aerodinámica sobre el coche y el efecto suelo.

"Porpoising" es un término que se utiliza habitualmente para describir un fallo particular que se produce en los coches de carreras con efecto suelo. Los coches de carreras llevaban poco más de una década utilizando su carrocería para generar carga aerodinámica cuando los Lotus 78 y 79 de Colin Chapman demostraron que el efecto suelo era el futuro de la Fórmula Uno, por lo que, en ese momento, la aerodinámica debajo del coche todavía se entendía muy poco. Para agravar este problema, los equipos que estaban muy interesados ​​en desarrollar el efecto suelo tendían a ser los equipos británicos "garagistas", con menos financiación, que tenían poco dinero para gastar en pruebas en el túnel de viento y tendían simplemente a imitar a los Lotus que iban en cabeza (incluidos los equipos Kauhsen y Merzario ). ^{[ cita requerida ]}

Esto dio lugar a una generación de coches diseñados tanto por intuición como por un gran conocimiento de los detalles más finos, lo que los hacía extremadamente sensibles al cabeceo. A medida que el centro de presión en los alerones de los pontones se movía dependiendo de la velocidad, la actitud y la distancia al suelo del coche, estas fuerzas interactuaban con los sistemas de suspensión del coche, y los coches empezaban a resonar, sobre todo a bajas velocidades, balanceándose hacia delante y hacia atrás, a veces de forma bastante violenta. Se sabía que algunos conductores se quejaban de mareos. ^{[ cita requerida ]} Este movimiento de balanceo, como una marsopa que se zambulle dentro y fuera del mar mientras nada a gran velocidad, da nombre al fenómeno. Estas características, combinadas con una suspensión dura como una roca, dieron como resultado que los coches tuvieran un andar extremadamente desagradable. Los efectos suelo se prohibieron en gran medida en la Fórmula 1 a principios de la década de 1980 hasta 2022, pero los deportivos del Grupo C y otros coches de carreras siguieron sufriendo el efecto del marsopa hasta que un mejor conocimiento de los efectos suelo permitió a los diseñadores minimizar el problema. ^[15] En la primera prueba de pretemporada en Barcelona antes del Campeonato Mundial de Fórmula Uno de 2022 , George Russell dijo que el porpoking extremo podría provocar problemas de seguridad y luego declaró que sufría dolor en el pecho debido al porpoking extremo durante el Gran Premio de Emilia Romagna de 2022. En el Gran Premio de Azerbaiyán de 2022 , Lewis Hamilton tuvo problemas para salir del coche después de la carrera debido al porpoking violento. ^{[16] [17]}

• Aerodinámica automotriz
• Coche de Fórmula Uno
• Efecto suelo en aeronaves
• Tren de efecto suelo
• Efecto Venturi

• Henry, Alan (1985), Brabham, los coches del Gran Premio , Osprey, ISBN 0-905138-36-8
• Nye, Doug (1985), Autocourse History of the Grand Prix car 1966–1985 , Hazleton Publishing, ISBN 0-905138-37-6

• Photoessayist.com: El Chaparral 2J
• VintageRPM: Historia de Chaparral Archivado el 26 de diciembre de 2014 en Wayback Machine
• 8W: Brabham-Alfa BT46B, un "coche de aficionados"
• Dennis David: Lotus 79 Archivado el 5 de junio de 2011 en Wayback Machine.