Efecto suelo

En este articulo se busca explicar el fenómeno que un dia formó parte de todas las bases de los diseños aerodinámicos de los F1, primeramente, se tratará la definición y conceptualización desde el punto de vista aeronáutico dado los origenes de este espectacular fenómeno, luego se explicará su aplicación en el automovilísmo así como su incursión en la F1.

Se denomina efecto suelo o ground effect al fenómeno aerodinámico que se da cuando un cuerpo, con una diferencia de presiones entre la zona que hay por encima de él y la que hay por debajo, está muy cerca de la superficie terrestre, lo que provoca unas alteraciones en el flujo de aire que pueden aprovecharse en diversos campos.

EN LA AERONÁUTICA.

Para explicar el efecto suelo como es debido, lo primero que hay que hacer es dibujar un esquema de cómo se mueve el aire alrededor de un ala en pleno vuelo. Ya sabéis que un avión vuela porque la presión bajo sus alas (en el intradós) es superior a la presión sobre ellas (en el extradós). Esta diferencia de presiones, además de producir la sustentación, hace que el aire del intradós tienda a ir hacia las zonas de menos presión del extradós, rodeando la punta de las alas. Ahí es donde ambos flujos de aire entran en contacto, produciendo los torbellinos marginales o de punta de ala de los que hemos hablado en otras ocasiones.

El efecto de la presencia de dichos torbellinos es la creación de una corriente de aire hacia abajo, tras el ala, llamada downwash o velocidad inducida (wi), que a su vez es directamente responsable de la aparición de una de las componentes de la resistencia aerodinámica: la resistencia inducida (Di). Esta resistencia está indisolublemente ligada a la sustentación, y es el precio que hay que pagar para poder volar (un precio que los diseñadores están continuamente tratando de regatear, con winglets y otros inventos similares que intentan reducir los torbellinos marginales a la mínima expresión).

Para saber en detalle lo que es Downwash y Upwash haz click aqui.

Pues bien, cuando un avión vuela cerca de una superficie plana (sólida o líquida), hasta una altura aproximadamente igual a su envergadura, los torbellinos de punta de ala y el downwash se ven desviados por dicha superficie, y la resistencia inducida se reduce drásticamente, haciendo el vuelo mucho más fácil y eficiente. El ángulo de ataque efectivo del ala, al disminuir la velocidad inducida, se hace más grande, aumentando la sustentación (recordad que la sustentación crece proporcionalmente al ángulo de ataque). Además, el aire atrapado entre el ala y el suelo se comprime, con lo que la diferencia de presiones entre extradós e intradós es mayor y el efecto global es otro aumento de sustentación. En resumen: hay más sustentación y menos resistencia aerodinámica.

Sin embargo, los pilotos no sienten mucho aprecio en general por este fenómeno, ya que hace que los aviones sean más difíciles de controlar (el piloto debe compensar la repentina disminución de resistencia sobre la marcha, y el avión tiende a quedarse en el aire, lo que es un problema si uno quiere aterrizar). Algo, que, por supuesto, los pájaros dominamos a la perfección. Lo que sentimos al volar cerca del suelo es similar a lo que sienten ellos cuando se ponen unos patines.

EN EL AUTOMOVILISMO.

En el mundo de automovilismo, generalmente de competición, se busca, al contrario que en aeronáutica, crear una zona de alta presión por encima del vehículo y una de baja presión por debajo, lo que provoca una succión que “aplasta” al vehículo contra el suelo, mejorando el agarre, lo que se traduce en la posibilidad de trazar curvas a mayor velocidad.

Dibujo de un monoplaza con efecto suelo. Se pueden observar los faldones en el fondo plano (amarillo) y el efecto del aire al subir (rojo).

Este efecto se introdujo en la Fórmula 1 a finales de los años 70 por parte de Lotus, mediante faldones y un diseño especial de la parte inferior de la carrocería, y por su efectividad no tardó en ser copiado por los demás equipos.

Este primer efecto suelo en la F1 se basó en el diseño de los famosos "faldones" y un diseño especial de la parte inferior de la carrocería para lograr un efecto Venturi que disminuyera la presión del aire debajo del monoplaza. Dada la efectividad del sistema, no tardó en ser copiado por los demás equipos. Otra técnica que se utilizó, concretamente en el Brabham BT46B, era la extracción del aire de debajo del vehículo mediante un ventilador situado horizontalmente, pero fue prohibida inmediatamente.

Sin embargo, esta técnica tenía el problema de que en cuanto no hubiese una presión lo suficientemente pequeña por debajo del vehículo, cosa que por ejemplo podía pasar si se pasaba a gran velocidad por encima de un bache y el vehículo daba un «saltito», éste podía volverse muy inestable e incluso podía «salir volando». Después de un período de «tolerancia» y tras varios accidentes muy aparatosos, en la mayoría de competiciones, incluida la Fórmula 1, se prohibió o limitó la utilización del efecto suelo por motivos de seguridad.

Lotus 78, primer monoplaza en hacer uso del efecto suelo.

Otra técnica que se utilizó, concretamente en el Brabham BT46B, era la extracción del aire de debajo del vehículo mediante un ventilador situado horizontalmente, pero fue prohibida inmediatamente.

El Brabham BT46B usaba el efecto suelo, todo y que con un ventilador en la parte posterior del monoplaza, para sacar el flujo de aire a mayor velocidad, lo que hace que aumente este efecto.

Sin embargo, esta técnica tenía el problema de que en cuanto no hubiese una presión lo suficientemente pequeña por debajo del vehículo, cosa que por ejemplo podía pasar si se pasaba a gran velocidad por encima de un bache y el vehículo daba un “saltito”, éste podía volverse muy inestable e incluso podía “salir volando”.

Se podría pensar erróneamente que aumentando el peso del vehículo, se lograría un mayor efecto suelo ya que el aumento del peso del vehículo se traduciría en mayor fricción de los neumáticos contra el suelo y por ello en un mayor agarre. Lo cierto es que al aumentar la masa del automóvil, aumenta proporcionalmente la fuerza centrífuga y esto hace que esta fuerza venza a la fricción entre los neumáticos y el suelo, perdiéndose el agarre casi por completo.

Lo interesante del efecto suelo es que aumenta considerablemente la fricción entre los neumáticos y el suelo “aerodinámicamente”, sin aumentar la masa del automóvil haciendo que el agarre sea mayor a mayores velocidades. El problema se presenta cuando los materiales de la banda de rodadura de los neumáticos llegan al límite de adherencia contra el suelo, o cuando por accidente se levanta una rueda o el coche avanza ladeado. Cuando esto ocurre, el vehículo simplemente se vuelve incontrolable.

Esta condición fue la causa del accidente del canadiense Gilles Villeneuve en la tanda clasificatoria del GP de Bélgica de 1982, quien al golpear con una de sus ruedas delanteras con la rueda trasera de otro coche, su Ferrari salió prácticamente volando despidiendo por los aires a Villenueve, que murió en el acto. Tras este accidente se prohibió o limitó la utilización del efecto suelo por motivos de seguridad.