Las placas terminales (Endplate): El domador de vórtices.

 

Siempre me quedo con las ganas. Cada vez que repaso las novedades en los coches tras la disputa de un Gran Premio me encuentro con la misma cantinela. Tal o cual equipo ha realizado modificaciones en las placas terminales, añadiendo o eliminando alguna que otra rendija pero nadie se para a explicar cuál es el sentido de dichos cambios. Ya es hora de solventar mis dudas.

No creáis, han sido muchas las ocasiones en las que me ha picado la curiosidad de averiguar las causas por la cual cíclicamente se realizan esas modificaciones pero siempre tenía algo  más interesantes que hacer que dedicarle un tiempo al tema. Sinceramente, no era un elemento que me llamara mucho la atención.
A veces, cuando inicio  el análisis de alguna pieza sé de partida que voy a encontrar mucha esencia en su funcionamiento, pero en otras ocasiones es inútil exprimir mucho la busqueda ya que te das cuenta que por mucho que lo hagas, dicho elemento no da para más. En esta ocasión el mundo de la técnica me ha vuelto a sorprender. Lo que parecía ser un pozo seco se ha tornado un manantial abundante, y sobre todo muy interesante. 
Las ansias por investigar surgieron después de ver como Pastor Maldonado se quedaba sin una de las placas terminales en la disputa del Gp de España. Tenía claro de hace mucho  que su función no era estructural, por tanto ¿para qué sirve? Eso es lo que vamos a averiguar en el siguiente artículo así que, abrocharos el cinturón que arrancamos.


Nociones de aerodinámica.
Cada vez que intento explicar el comportamiento aerodinámico de un F1 siempre me surge el mismo ejemplo; el ala de un avión. Seguro que a muchos le resultará pesado leer lo mismo una y otra vez pero comparar esa pieza con los alerones de un monoplaza, por muy repetitivo que parezca es tarea obligada si se quiere comprender las fuerzas que actúan sobre estos coches y les hacen ser tan veloces. Intentar explicar la función de los endplates y las rendijas que los ingenieros esculpen  en su estructura sin hacerlo dificultaría mucho la tarea. Para no extenderme en esta ocasión  me centraré en un elemento que normalmente resulta desapercibido a los ojos de un profano aunque tiene una importancia vital en el rendimiento y consumo de un avión comercial, me estoy refiriendo a  los winglets.
No se si algunos os habéis fijados que en la actualidad, la mayoría de los aviones comerciales  modernos  tienen las puntas de las alas "dobladas" hacia arriba.  La estructura convencional de las alas empleadas durante muchos años no tenían esa pieza.

 
Bien, ese apéndice es un winglet, y sirve para reducir la resistencia (y el consumo) del avión entre un 2 y un 5%. Veamos  cómo trabaja el ala y así se entenderá fácilmente.
¿Sabéis por qué un avión se mantiene en el aire? Sí, esa historia de  que el aire va más rápido por la parte de arriba del ala que por la de abajo y que, según un tal Bernoulli, crea un vacío en la parte superior que "tira" del ala (y el avión) hacia arriba. Esa es la versión resumida de ese efecto. 

 
La estructura del ala, la encargada de crear la sustentación hace de elemento separador entre las dos presiones, pero su superficie es limitada. Cuanto mayor sea la superficie alar mayor sustentación creará pero también aumenta su peso, los anclajes, etc. Como siempre, sus medidas serán las justas  para las necesidades que se quieran obtener de ellas. Todos sabemos que su estructura es ancha cerca del fuselaje y va disminuyendo hasta llegar  a la punta. Cuando el avión acelera, el borde de ataque del ala divide el flujo de aire en dos, como vemos en la imagen de arriba, produciendo la variación de presiones que genera la sustentación. El proceso termina al salir el aire por la parte posterior (borde de fuga). Ese es el recorrido normal del aire pero no es el único.
Hemos visto como en la parte de arriba hay menos presión que en la parte de abajo. En condiciones normales, el aire o cualquier fluido a alta presión tiende a  desplazarse a una zona donde la presión es más baja cuando se ponen en contacto, para encontrar el equilibrio. Un ejemplo. Si tenemos un bote de conservas donde se ha realizado el vació, el  punto de menor presión que se puede llegar a obtener  y lo abrimos, inmediatamente el bote succionará el aire  situado en sus proximidades y se llenará para igualar las presiones. Un globo inflado sería el caso contrario. En su interior la presión es mayor que en el exterior y si soltamos su boquilla se desinfla.
En el borde de fuga del ala ocurre lo mismo. En esa zona, la parte superior del ala capta aire de la inferior para conseguir la igualdad  pero ¿qué ocurrirá cuando nos acerquemos a la punta del ala? Pues lo mismo,  el aire de abajo tenderá a fluir hacia arriba, como en este dibujo.


El resultado es que tenemos una corriente de aire que, combinada con el avance del avión, crea un vórtice, un torbellino de punta de ala o, en inglés (que siempre mola más), un wingtip vortex.


Estos torbellinos suponen un problema a varios niveles. Para el propio avión, aumentan la resistencia inducida. Los vórtices creados generan una fuerza opuesta al empuje del avión (tiran de él hacia atrás) y por tanto, tiene que desperdiciar energía en acelerar esa masa de aire en vez de emplearla en su propio avance. También son un peligro potencial para otros aviones. La intensidad de las turbulencias de estela, como también son llamadas aumenta cuando la velocidad es baja (aterrizajes y despegues) y  permanecen en el aire durante varios minutos. Sus efectos  pueden  llegar a tirar un avión al suelo como le sucedió al Vuelo 587 de American Airlines en el año 2001.  Normalmente no son visibles pero podemos verlos gracias al aire cargado de humedad.


Fue Richard Whitcomb, uno los ingenieros aeronáuticos más importantes de la segunda mitad del siglo XX junto a su equipo de trabajo de la NASA  los encargados de encontrar la solución. Si el problema es que el aire va de abajo arriba… ¿por qué no ponerle una barrera? Ese es el concepto de los winglets: una superficie en la punta del ala que rompen la corriente ascendente, evitando que los vórtices generados sean potentes, reduciendo así la resistencia y aportando estabilidad direccional.
 
En este punto, seguro que muchos os estaréis preguntando ¿todo este rollo qué tiene que ver con la F1? Aunque parezca mentira, mucho. Vamos a verlo.
El alerón trasero de un F1 es la parte aerodinámica más "simple" del coche a pesar de ser el encargado de genera gran parte de la carga del mismo. Su función es crear carga  aerodinámica y para ello utiliza dos métodos:

     1- Mediante empuje. Su forma produce un cambio en la dirección del  flujo de aire que incide sobre él, generando así un empuje que pega el coche al suelo. Para conocer el mecanismo es necesario refrescar algunas nociones de física. Según la tercera ley de Newton, toda fuerza ejercida sobre un objeto (acción) recibe otra fuerza igual pero en sentido contrario (reacción).  Veamos un ejemplo para aclararlo. Imaginaros  que estamos realizando una acción, empujar la pared. Aunque parezca mentira la pared está reaccionando a ese esfuerzo y nos devuelve el empuje. Normalmente no percibimos nada, solo que la pared es muy rígida y no  podemos moverla pero si en lugar de tener  unos zapatos que nos una firmemente al suelo nos calzamos unos patines, la historia cambia. Si repetimos el esfuerzo con estas condiciones saldremos disparados hacia atrás debido a la reacción.

Lo mismo sucede con el alerón. Cuando las partículas de aire inciden sobre su superficie son empujadas verticalmente hacia arriba para realizar el cambio de dirección (acción). En respuesta (reacción), el aire empuja el coche hacia abajo contra la superficie de la carretera.
Crear carga mediante empuje siempre genera resistencia aerodinámica. El ala de un avión es más neutra, genera poca resistencia si es comparada con el alerón de un  F1 pero los beneficios siempre son superiores a los perjuicios si se quiere "volar" pegado al asfalto.
 
      2- Mediante diferenciales de presión. Aunque su forma parece diferir mucho del ala de un avión, realmente su funcionamiento es similar. Los alerones de F1 cuentan con un  perfil aerodinámico pero está al revés, es decir, la zona de bajas presiones se localiza debajo  mientras que las de  altas presiones se sitúan en la superior. En este caso el aire circula más rápido por la parte inferior del ala que por la superior creando un "vacío", una depresión que empuja al coche contra el suelo produciendo más carga aerodinámica (downforce).

Como sucede en la aviación, la superficie del ala tiene unas medidas determinadas. El punto de unión entre las dos zonas con diferentes presiones es el borde de fuga. Ahí se produce el equilibrio pero a medida que nos vamos acercando al  borde lateral hay riesgo de que se produzca un intercambio indeseado como en los aviones. ¿Cómo evitarlo?  Lo habéis adivinado, poniendo una barrera también. Amigos, acabáis de descubrir para qué sirven las placas terminales (endplates) de los alerones.

 
Las placas terminales actúan como los winglet en un avión. Son unos elementos verticales unidos a cada lado del alerón trasero (también los hay en el delantero) que sirven para gestionar mejor el flujo de aire que pasa por  esta pieza, evitan que  aire de la parte superior pase hacia abajo a la vez que impide que  el situado en la zona exterior de las placas sea succionado e introducido por  los laterales debajo del alerón, evitando así la perdida de carga. Esa es una de las funciones pero cuenta con más.

La segunda por importancia es la reducción de la fricción. ¿Cómo? Controlando y dirigiendo el aire que pasa por la parte externa  del ala y  canalizándolo  a lo largo de los vórtices de punta de ala. ¡Vaya!  ¿Las placas no evitaban la creación de dichos vórtices? No, los controlas pero no los elimina.
Los alerones empleados en la F1 son muy buenos reduciendo este problema de ahí puedan generar tanta carga aerodinámica pero no son perfectos. Las placas terminales impiden en gran medida la creación  de la turbulencia  por intercambio de presiones indeseado por los extremos pero aquí entra en juego un tercer elemento; el aire situado en el costado exterior del endplate. Este aire tiene unos valores de presión inferior al que encontramos en la parte superior del ala. La zona de altas presiones busca equilibrarse con su entorno y para ello "salta" por encima del end plate y al  moverse el coche  hacia adelante hace que de nuevo que el aire vuelva a rotar.
 
Esto significa que el vórtice se puede generar después de todo. Evitarlo implicaría alargar las placas innecesariamente hacia arriba y produciría más perjuicios que beneficios. Está claro que cuando no puedes vencer a tu enemigo lo mejor es unirse a él.
A los ingenieros en aerodinámica les interesa que el vórtice esté controlado y que su potencia sea pequeña.
Si el "choque" entre presiones tan diferentes hace de germen para la creación de un potente vórtice ¿Por qué no reducir el diferencial que produce el salto? Eso es precisamente lo que hacen los expertos en aerodinámica. ¿Cómo? Canalizando el aire a un punto específico del alerón para que salga por él. Para ello se colocan una serie de ranuras en la placa terminal  que tienen como función sangrar parte del aire a alta presión para que se mezcle con en el aire a baja presión situado fuera, reduciendo así gradualmente la presión. Con esta medida no se impide la creación del vórtice, mas bien se origina pero lo hace con unas condiciones más favorables. El objetivo a conseguir está bien definido: controlar su potencia. Cuanto menor sea, menor arrastre produce, menos fricción y por tanto menos perjuicios.
 
En infinidad de ocasiones hemos visto como los equipos realizan modificaciones en las placas dependiendo de las características de la pista. La colocación, el número y la forma de las parillas dependerán de las condiciones de carga del alerón. En pistas donde la carga es alta, tanto la superficie como la inclinación de los elementos  que forma el alerón se aumentan y por tanto el diferencial de presiones también lo hace. Para mitigar sus efectos se emplean un mayor número de ranuras para evacuar el aire. Monza sería el ejemplo contrario. La superficie e inclinación de las alas es mínima de ahí que  prácticamente no encontramos ranuras en las placas.


Un factor importante a tener en cuenta a la hora de determinar el número de ranuras que forman la parrilla es el equilibrio general del coche. Permitir evacuar parte de la presión por las ranuras evita un problema pero crea otro; un descenso en la carga aerodinámica que genera el alerón. Cuantas más ranuras tenga el ala y más aire se difunda hacia fuera, menos presión se queda en la parte superior. Un reducción en el diferencial de presiones entre ambos lados del ala produce obligatoriamente una disminución en los valores de la carga.
La dificultad radica en encontrar el equilibrio. La virtud, como  siempre suele estar en el punto medio. Utilizar el número y  forma exacta que te permitan conseguir el máximo de carga con el vórtice lo más debilitado posible para que el beneficio sea superior a la pérdida. Conseguirlo requiere mucho trabajo y no siempre es posible hacerlo, de ahí que se dedique mucho trabajo y medios para lograrlo. Eso lo demuestran las continuas modificaciones que se van apreciando en las piezas a lo largo de la temporada. 
Como sucede en la aviación, los vórtices de punta de ala se elevan hacia arriba y hacia el exterior desde las puntas del alerón trasero y finalmente tienden a disipar  su energía al encontrarse con el flujo de corriente libre situado alrededor del coche.
En condiciones normales son difíciles de ver.  Cuanto mayor sea el diferencial de presión, mayor será su potencia de ahí que sean más "fáciles" de ver, sobre todo en condiciones elevadas de humedad en el ambiente. El vapor de agua  se concentra en el vórtice y nos permite apreciarlos como una estela de vapor.
 
En el pasado, este tipo de vórtices de puntas de alas eran vistos con buenos ojos. Su existencia demostraba que el ala estaba trabajando de manera intensa. Hasta cierto punto esto es cierto. Si aparecen está claro que las alas están generando mucha carga pero no de manera efectiva. Esa creencia  se desechó al comprender los efectos en el arrastre que producen este tipo de turbulencias.  En la actualidad es difícil poder apreciarlos incluso en condiciones de elevada humedad debido al control que ejercen los especialistas sobre ellos.
A modo de curiosidad, si analizamos detenidamente la imagen de arriba podemos deducir la causa por la cual la placa terminal tiene una forma recortada en su parte superior, justo detrás de las rejillas. Sería conveniente decir que la forma de un vórtice es cónica y cuando se muestra visible gracias a la humedad, lo que apreciamos es realmente el centro de la turbulencia, la zona de máxima energía y condensación. Su diámetro es mayor pero permanece oculta la vista. La forma recortada de la placa impide perturbar la estructura del vórtice para que trabaje correctamente.
 

Como siempre, nunca me deja de sorprenderme todo lo referente al mundo de la técnica. Hemos visto como un elemento que  parecía ser secundario  ha demostrado desempeñar un papel vital en la F1 actual.  Para muchos su finalidad era meramente estructural, una forma de soportar el alerón trasero pero una vez analizando vemos que no es así, que su importancia es mayor de lo que parecía. Su estructura está poblada de otros elementos que también desempeñan  su granito de arena en el rendimiento general de los monoplazas pero serán analizados en una futura entrega. Esperemos que me vuelvan a sorprender de nuevo, pero eso será otra historia.