AERODINÁMICA DE AUTOS

AERODINÁMICA

Se denomina resistencia aerodinámica, o simplemente resistencia, a la fuerza que sufre un cuerpo al moverse a través del aire, y en particular a la componente de esa fuerza en la dirección de la velocidad relativa del cuerpo respecto del medio. La resistencia es siempre de sentido opuesto al de dicha velocidad, por lo que habitualmente se dice de ella que, de forma análoga a la de fricción, es la fuerza que se opone al avance de un cuerpo a través del aire.

                                                           

Todo vehículo durante el rodamiento sufre de varios tipos de fuerza de arrastre. Algunas de estas es la de los neumáticos contra el asfalto, y tal vez la más importante de todas resulta la del viento ejercido sobre la carrocería. Un excesivo arrastre por un mal diseño que no penetre correctamente el aire, repercute significativamente en el rendimiento del vehículo y en el consumo de combustible. Y es que aproximadamente desde los años cincuenta hasta hoy, los constructores han logrado grandes avances con relación al diseño de autos más eficientes y aerodinámicos, como ha sido el caso del nuevo Toyota Prius 3.

Aerodinámica de los Vehículos:

En aerodinámica y diseño de carrocerías, existe un coeficiente de Resistencia al Avance que se denomina (Cx), el cual se mide por la fuerza que sufre un cuerpo al moverse a través del aire en la dirección de la velocidad relativa entre el aire y el cuerpo; es decir, a mayor velocidad mucho mayor será la fuerza que se opone al avance de la carrocería y su diseño frontal. El objetivo es entonces mejorar el coeficiente Cx gracias a diseños más eficientes sin perjudicar la estética, para aprovechar cada caballo de fuerza producido por el motor, lograr velocidades superiores, y obtener mejores índices en consumo de combustible. 

                                                

Por otra parte en el mundo de las carreras, se sacrifica mucho la resistencia al avance para lograr fuerzas descendentes que presionen al vehículo contra el pavimento. Es por eso que es muy común ver en deportivos y autos de pista, varios tipos de alerones que generan "Downforce". Esta fuerza al igual que el Cx, resulta exponencial a la velocidad, lo cual es muy conveniente en carreras ya que aumenta la adhesión al pavimento a altas velocidades. Aunque un alerón influye negativamente sobre la resistencia al avance (los vehículos de carrera compensan esta pérdida al equipar motores con mucha potencia y caballos de fuerza adicionales.

El estudio de todos estos efectos se realiza en túneles de viento, que asemejan las condiciones a las que el vehículo es sometido pero en forma estática. Alterar las especificaciones aerodinámicas originales del vehículo puede causar:

-Alto consumo de combustible
-Menos velocidad final (los alerones aumentan el área frontal del vehículo)
-Esfuerzo innecesario del motor
-Menor eficiencia en el sistema de enfriamiento
-Disminuye la capacidad de disipación de calor de frenos
-Se generan esfuerzos innecesarios en la suspensión
-Desgaste de neumáticos por efecto de sobrecarga a alta velocidad
-Ruido excesivo del viento

                                                  

Factores que determinan la resistencia aerodinámica

                                                   

La resistencia aerodinámica depende cuatro factores: la densidad del aire, la velocidad al cuadrado, la superficie frontal y el coeficiente de resistencia aerodinámica del vehículo, todo ello multiplicándose y por tanto influyendo en la misma medida. Si dividimos el resultado de esa multiplicación entre dos, tenemos la fórmula completa, pero lo que importa aquí es lo que son y cómo actúan cada uno de esos factores.
La densidad del aire es aproximadamente constante y no la podemos variar con el diseño del vehículo, por lo que no le voy a dedicar más explicaciones.
A partir de aquí, los otros tres factores de la fórmula merecen un apartado propio en el que ser explicado

Resistencia aerodinámica:
R = ½ d x v2 x A x Cx
R = Resistencia aerodinámica (N)
d = Densidad del aire (kg/m3)
v2 = velocidad al cuadrado (m2/s2)
A = Superficie frontal (m2)
Cx = Coeficiente de resistencia aerodinámica

La resistencia aerodinámica depende de la velocidad elevada al cuadrado

                           

La velocidad al cuadrado nos invita a entrar en materia, aunque no es un factor que distinga un coche de otro, sino sólo algo importante que debemos entender y que afecta a todos por igual. Veamos.
Si multiplicamos la velocidad por dos, la resistencia se multiplica por cuatro. Intuitivamente, alguien podría pensar que la resistencia es sólo lineal (doble velocidad implicaría también doble resistencia) pero resulta que la
resistencia aerodinámica se incrementa mucho más deprisa que la velocidad (*).

(*) La resistencia aerodinámica es proporcional al cuadrado de la velocidad porque si duplicamos la velocidad, el doble de aire golpea el frontal del coche y además lo hace con el doble de fuerza: velocidad x2 implica resistencia x4
                    

                                     

Pero la cuestión de la velocidad es todavía más importante: la resistencia crece con el cuadrado de la velocidad, pero la potencia necesaria para vencer esa resistencia crece con el cubo de ésta (!!). Esto significa que cuando la velocidad se multiplica por dos, la resistencia lo hace por cuatro y la potencia necesaria por nada menos que ocho ( ** ).


(**) La potencia necesaria es proporcional al cubo de la velocidad porque si duplicamos la velocidad la fuerza se multiplica x4 (apartado anterior) y esa fuerza se aplica durante el doble de distancia por unidad de tiempo: velocidad x2 implica potencia x8
Un ejemplo numérico para que más de uno se lleve las manos a la cabeza: para mantener una velocidad constante en un tramo horizontal y sin viento un coche cualquiera podría necesitar las siguientes potencias para vencer exclusivamente su resistencia aerodinámica:

 

A 50 km/h alrededor de 2 CV
A 100 km/h alrededor de 16 CV
A 200 km/h alrededor de 128 CV
A 300 km/h alrededor de 432 CV

La resistencia a la rodadura y la resistencia mecánica requerirían alguna potencia adicional, mucho menor. Si alguien se ha quedado sorprendido de las cifras, probablemente es que lo ha entendido bien.
Esta es la razón por la que una pequeña diferencia en velocidad (digamos de 110 km/h a 120 km/h) representa una gran diferencia en consumos.

La resistencia aerodinámica depende de la superficie frontal
 

                                   

La superficie frontal es el área que ocupa el coche visto perfectamente de frente. En un plano sería el alzado del coche, cuya superficie depende de la altura, la anchura y la forma de ese alzado (incluyendo neumáticos, espejos y todo lo que esté expuesto al aire en el sentido de la marcha).
La interpretación de esto es muy sencilla: esta sección frontal es la que va barriendo un volumen de aire por unidad de tiempo cuando el coche se desplaza, y define la masa de aire que deberá apartarse. Es obvio que cuanto más aire se mueva, más trabajo implicará hacerlo.
Traducido a coches reales, los coches grandes en altura y anchura (de nuevo, furgonetas, mono volúmenes y todo terrenos  se ven enormemente penalizados, pero no necesariamente los coches largos, que de hecho tienen más oportunidades de hacer fluír el aire suavemente a su alrededor que los muy cortos.
Para salvar con éxito este problema, coche bajo y estrecho. La posición de los pasajeros en tándem de un Renault Twizy, por ejemplo, responde en parte a este principio, aunque también a favorecer la circulación en ciudad y el estacionamiento, claro.

La resistencia aerodinámica depende del coeficiente de resistencia aerodinámica 

                                       

El coeficiente de resistencia aerodinámica (Cx) es un número dimensional (no tiene unidades) que viene determinado casi totalmente por la forma del coche. Lo más importante, al contrario de lo que se podría esperar, es la parte trasera y la forma en que el aire rellena el vacío que el coche deja tras de sí. Cuanto más suaves sean las curvas que tenga que trazar el flujo de aire para rodear el coche, mejor.
La interpretación de este factor es fácil: la forma del coche define la trayectoria que habrá de seguir el aire para bordearlo, es decir, la velocidad y ordenación del aire en sus diferentes trayectorias.
Las esquinas angulosas, las traseras truncadas (verticales y planas como en una furgoneta, un mono volumen o un todo terreno  y en general cualquier perfil no suave que tenga que recorrer el aire nos penalizan en este aspecto.
Es curioso que a día de hoy aún no es posible terminar de desarrollar el aspecto aerodinámico de un coche sin un túnel de viento en el que realizar pruebas reales, pero lo cierto es que la simulación por ordenador todavía no ha llegado a ese nivel de perfección, tal es la naturaleza caprichosa del aire en movimiento.
Con respecto al coeficiente en sí, representa la comparación con una plancha cuadrada de aristas vivas cuyo coeficiente Cx sería igual a 1. Quiere esto decir que la resistencia ofrecida por un vehículo por causa de su forma con Cx = 0,5 sería la mitad que la de la mencionada plancha rígida, y así sucesivamente.

                                

El túnel del viento

Para saber si un vehículo es aerodinámico se simula su situación real en un túnel aerodinámico de forma cilíndrica llena de ventiladores que generan distintas corrientes de aire a distintas velocidades, en las que en vez de moverse el vehículo se mueve el aire contra el vehículo. Normalmente se le unen tiras de lana en puntos clave de la superficie del móvil, sea una maqueta de un avión, un automóvil, una bicicleta, etcétera. A veces se utiliza un humo que ha sido coloreado mezclado con el aire para poder observar las turbulencias de una forma más clara. Las turbulencias dejan patente las distintas presiones que se generan por las corrientes de aire, a veces estos datos son registrados por dispositivos electrónicos que interpreta un ordenador obteniendo tablas del perfil aerodinámico. El túnel de viento consta de un colector por el que se acelera el aire de forma progresiva mediante potentes ventiladores, un dispositivo de telas metálicas para reducir las turbulencias del aire, una cámara de medición que propicia que el aire se genere en condiciones estables y un difusor en la salida de la cámara de medición para reducir la velocidad de salida del aire. 

                                    

Conclusiones

                                   

La resistencia aerodinámica juega un papel fundamental en la eficiencia de cualquier vehículo. El consumo de potencia derivado de este factor pasa de irrelevante a colosal a medida que aumentamos la velocidad (y la potencia implica consumo de combustible).

Una forma más aerodinámica (suave, sin aristas, con frontal redondeado y trasera estrechándose gradualmente) unida a unas dimensiones contenidas en altura y en anchura dan como resultado, a igualdad del resto de parámetros, coches más eficientes.
No se trata de prohibir ni endemoniar determinados tipos de vehículos. Furgonetas, mono volúmenes y todo-terrenos tienen una razón de ser muy clara y una utilidad concreta a cambio de la cual se ven penalizados en el apartado aerodinámico por una gran superficie frontal y una forma más difícil de estilizar. Pero está bien saber lo que estamos conduciendo y comprando, y valorarlo en su justa medida en todas sus facetas.