Los aerodinamistas afirman a menudo que los automóviles de competición actuales son, en cierto modo, aviones inversos. ¿Por qué? Muy resumidamente, porque todas las leyes aerodinámicas aplicadas en un avión, también se aplican en los automóviles de competición. Eso sí, el objetivo en ambos casos es diferente: en un avión se busca la máxima fuerza vertical positiva (hacia arriba) y en un automóvil de competición se busca la máxima fuerza vertical negativa (hacia abajo). En otras palabras: un Boeing 737-800 aprovecha el flujo de aire para elevarse, mientras que un Fórmula 1 trata de aprovecharlo para obtener el máximo agarre posible.
El funcionamiento del efecto suelo es igual al del ala de un avión
En el caso de los aviones, la sustentación y, por consiguiente, la elevación de la aeronave, se consigue en base a varias leyes y principios, entre los cuales encontramos la tercera ley de Newton (principio de acción y reacción), el efecto Coanda o el principio de Bernoulli. En el caso de los monoplazas, las leyes aerodinámicas que provocan ese agarre extra son exactamente las mismas, pero aplicadas de forma inversa.
Una aplicación concreta de ellas es el conocido como “efecto suelo”. Fue aplicado por primera vez en la Fórmula 1 por el equipo Lotus en la época de los setenta. El objetivo era claro: lograr la menor presión posible entre el suelo del coche y la pista para que aumentara la adherencia y, por lo tanto, la velocidad en curva.
¿Cómo lograron este objetivo los mecánicos e ingenieros de Lotus? Muy resumidamente, basaron sus innovaciones en las alas de los aviones. En ellas, el flujo de aire genera diversas fuerzas sobre el ala, al igual que diversos cambios de presión, los cuales resultan en una fuerza vertical. Para ello, se basan en tres leyes y principios:
- Principio de Bernoulli. En la dinámica de fluidos, Bernoulli afirmó que un sólido no viscoso cuya densidad es invariable, la presión disminuye cuando la velocidad con la que circula es mayor. También ocurre el efecto contrario: a menor velocidad, mayor presión. Esto se resume en la famosa ecuación de Bernoulli.
Tercera ley de Newton. O principio de acción-reacción. Afirma que a cualquier fuerza ejercida sobre un cuerpo le corresponde otra igual y de sentido contrario. De esta forma, cuando golpeamos una pared (ejercemos una fuerza sobre ella), la pared ejerce una fuerza similar y de sentido contrario sobre nuestra mano (razón por la cual nos duele y no se derrumba con facilidad).
Efecto coanda. Cualquier fluido que circula alrededor de un sólido tiende a mantener una trayectoria paralela a la superficie. En otras palabras: las líneas de corriente de un fluido tienden a acercarse a la superficie del sólido curvo en lugar de mantenerse constantes.
Partiendo de estas tres leyes, explicar el funcionamiento del ala de un avión es relativamente sencillo:
Imaginemos las corrientes de aire como un grupo de láminas paralelas y maleables. Cuando el aire comienza a aproximarse al ala del avión, este conjunto de láminas se divide en dos masas diferenciables, una que sube por el estradós (zona superior del ala) y otra que se mantiene firme por el intradós (zona inferior del ala). Las que ascienden al estradós recorrerán una trayectoria mayor con una velocidad mayor; las que continúan por el intradós, recorrerán una trayectoria menor con una velocidad menor. Estas variaciones de velocidad afectarán a la presión.
Como podemos ver en la imagen, las “láminas” de aire que recorren el ala por la zona superior se adaptan al contorno del ala — efecto asociado a la viscosidad del fluido y al efecto Coanda. Dicha curvatura está generada por una fuerza centrípeta (perpendicular a la tangente de la curva en un punto cualquiera), originada a su vez por una diferencia de presión entre la cara superior a esta lámina y la cara inferior de esta lámina. Por lo tanto, conforme más próximos estamos a la cara superior del ala del avión, menor es la presión.
Si comparamos la presión de la lámina de aire más próxima al estradós (conocida como capa límite) con la lámina de aire más próxima al intradós, veremos cómo la presión de la zona superior es menor que la de la zona inferior. Esta diferencia de presiones genera una fuerza vertical conocida como fuerza de sustentación, la cual empuja el avión hacia arriba para lograr así el equilibro de fuerzas al que tienden todos los sistemas por inercia.
Como consecuencia de esto, las partículas de la zona superior se ven redirigidas hacia abajo (con una trayectoria diagonal) y aplican una fuerza al resto de partículas de aire inferiores cuando abandonan el contorno del ala (downwash). Aplicando la tercera Ley de Newton, surge entonces una fuerza igual y de sentido contrario, la cual también colabora a la sustentación de la aeronave.
Aquí también influyen otros parámetros como el ángulo de ataque, el grosor del sólido, los radios de curvatura del mismo, etc. Estos se modifican con el objetivo de mejorar la eficiencia del ala, añadir nuevas fuerzas en distintos puntos del ala y lograr por ejemplo el vuelo de aviones boca abajo; pero son despreciables para una explicación básica como esta.
¿Cómo se aplica todo esto en el efecto suelo de un automóvil de competición?
Ahora que conocemos el comportamiento de los flujos de aire alrededor del ala de una avión —y cómo estos permiten a la aeronave mantenerse en el aire—, conocer el efecto suelo es realmente sencillo. Simplemente, *démosle la vuelta al ala del avión et voilà!***. Y es que al invertir el ala del avión, las fuerzas son totalmente opuestas, generando así fuerzas negativas (hacia abajo).
Para comprenderlo mejor, observemos la siguiente imagen del Lotus 78, uno de los primeros Fórmula 1 en aplicar el efecto suelo:
En esta imagen podemos apreciar como el aire se divide nuevamente en dos, pero el estradós y el intradós están invertidos. De esta forma, las partículas con mayor velocidad y menor presión se sitúan en el suelo del monoplaza, generándose una diferencia de presión respecto a la zona superior del monoplaza que provoca una fuerza hacia abajo como respuesta.
De la misma forma, también identificamos corrientes de aire diagonales salientes, las cuales, por la tercera ley de Newton, generan una fuerza extra que “empuja” el monoplaza hacia la pista, otorgándole así un mayor agarre y, por consiguiente, una mayor velocidad en curva.
El efecto suelo está parcialmente limitado en las principales competiciones automovilísticas
En el caso de la Fórmula 1, el efecto suelo quedó limitado a comienzos de la década de los ochenta. La razón no fue otra que la inseguridad del mismo. Los monoplazas comenzaron a recaer de forma excesiva en este efecto, lo que provocaba que la más mínima variación en los flujos de aire que circulaban por debajo del coche (la cual podría ser generada por por un bache o un piano elevado) se tradujera en un accidente grave. De hecho, esto se saldó la vida del famoso piloto Gilles Villeneuve.
En la actualidad, el efecto suelo sigue aprovechándose en los monoplazas de competición. La diferencia es que el fondo del mismo es totalmente plano —conocido como fondo plano—, limitando así la dependencia del mismo y protegiendo a los pilotos en caso de circular sobre un peralte. La magia de los ingenieros, en este caso, consiste en reducir los flujos de aire que circulan bajo el monoplaza sin tocar el fondo plano (ya sea con los alerones delanteros o con pequeños "labios" situados alrededor de los pontones). De esta forma, se consigue el mayor "vacío" posible.