Fundamentos de la aerodinámica

¿Cuál es el rol de la aerodinámica en la fase de diseño de un coche?

Estarás de acuerdo conmigo cuando digo que tu coche es un objeto ubicado dentro dentro de un recipiente dentro del cual hay un fluido, en este caso particular aire, ¿no es así? Cuando tu coche se está moviendo a través de este fluido, indirectamente erstá desplazando un masa de aire. Es en este momento cuando la la ciencia de la aerodinámica entra en juego.

En términos cientificos, la Aerodinámica es el estudio de las fuerzas y sus interaciones con los objetos los cuales están moviéndose a través del aire. Estas fuerzas pueden agruparse principalmente en la fuerza de Resistencia y fuerza de Sustentación con el objetivo de simplificar esta explicación.

La fuerza de Resistencia actúa en direcciónopuesta a la dirección del moviento del objeto. La fuerza de Sustentación actue en ángulo recto a la dirección del movimiento, y esta es usada para diferente propósitos, dependiendo de si estamos hablando en términos de la industria aeronáutica o de la industria automovilística.

Uno de los objetivos de la industria automovilistica es tratar de minimizar el impacto de la fuerza de Resistencia, debido a que por ello es necesario incrementar la potencia del motor con el objetivo de contrarrestar esta, y esto penaliza la eficiencia y consecuentemente el diseño.

 

Como puede ver en la anterior figura (haga click aquí para acceder a la fuente) las líneas y el diseño del coche es el principal factor que determina la fuerza de Resistencia a la que estará sometido este. La diferencia entre un diseño con líneas suaves y un diseña basto se puede apreciar en la imagen. La aparición de grandes o pobres fuerzas de Resistencia depende de las líneas de diseño del coche.

 

 

Fuerza de Sustentación

Ahora vamos a hablar acerca de la fuerza de Sustentación . La fuerza de sustentación es usada con diferentes propósitos dependiendo del vehículo del que estemos hablando. El concepto es igualmente usado tanto en la industria aeronáutico como en la automovilística, pero en los coches esta fuerza es usada de un modo diferente, por lo que echa un vistazo a la siguiente imagen y podrás darte cuenta por tí mismo.

En un avión esta fuerza es usada para elevar el vehículo (aeronave) y en un coche es usada para mantener en contacto continuo con el terreno el vehículo.

Resumiendo, el objetivo es incrementar la fuerza de Sustentacióny minorar la fuerza de Resistencia , pero hay un problema debido a que ambas fuerzas son directamente proporcionales al cuadrado de la velocidad: 1/2 multiplicado por la densidad del fluido, multiplicado por la constante de la fuerza (CL para la fuerza sustentación y CD para la fuerza de resistencia), multiplicado por (*)la superficie de referencia, multiplicado por el cuadrado de la velocidad. Por tanto, es necesario encontrar una solución de compromiso entre ambas fuerzas.

(*)Nota: En un coche la superficie de referencia es igual al área frontal proyectada por el vehículo.

Por otro lado, el estudio de las lineas de corriente para analizar el comportamiento del aire alrededor del coche es muy importante. Ello puede ayudar a analizar las localizaciones donde es necesario introducir una mejora en el diseño con el objetivo de reducir la Resistencia e incrementar la Sustentación. Así también, es necesario reducir el tamañao de los vortices que se generar, donde el flujo del aire es turbulento, dado que ello incrementa notablemente la fuerza de resistencia. Este efecto se produce en zonas donde se dan fuertes gradientes de presión. El flujo laminar desaparece y da paso a un regimen turbulento, incrementando con ello la resistencia. En las siguientes imágenes se puede apreciar el comprotamiento del aire(representado por las líneas de flujo) en las cercanías del vehículo, donde se puede distinguir sin problema el flujo laminar del turbulento, ¿puedes diferenciarlos?

 

Seguramente estes pensando que existen muchos factores los cuales determinan la eficiencia aerodinámica del diseño de un coche, y estas en lo cierto… y podríamos seguir hablando de muchos de ellos, pero con esta breve introducción al tema es suficiente para tener una idea básica.

En la fase de diseño de un coche, la aerodinámica es un tema bastante importante a tener en cuenta debido que este impacta directamente en la eficiencia del modelo. Podrás observar que los diseños de coches antiguos eran grandes y toscos mientras que los nuevos diseños contienen líneas suaves y cuidadas. Eso es debido a que en la industria de hoy en día el consumo de combustible de los automóviles esta en el punto de mira, y los clientes tiene en cuenta esto. La tendencia es tratar de obtener diseños más y más eficientes con el objetivo de reducir el coste del transporte y las emisiones de CO2. Si nosotros mejoramos la aerodinámica del vehículo, reduciremos la fuerza necesario para mover el coche, dado que reduciremos la fuerza de Resistencia que aparecerá.

Por supuesto, hay otros factores que están involucrados, por ejemplo el diseño estético del producto, reducción del ruido del aire, etc. En la imagen a la derecha (haga click en aquí para navegar a la fuente) se puede ver los bocetos del disño de un concept cat, basado en modelos que actualmente existen en el mercado.

Con la meta de mitigar la fuerza de resistencia la cual impacta en las capacidades/cualidades de un coche y mejorar el comportamiento aerodinámico, así como otros parámetros, los ingenieros han diseñado unos curiosos dispositivos y mecanismos los cuales ayudan a mejorar la eficiencia del coche.

Por ejemplo, existen sistemas que ayudan a controlar dinámicamente la aerodinámica del vehículo, por ejemplo la zona de absorción de aire delantera del coche. El flujo constante de aire a traves del radiador incrementa la resistencia, afectando a la aerodinámica.

Con el fin de reducir este efecto, BMW ha diseño un sistema denominado «Air Vent Control» (Control de respiradero de aire) el cual permite un control total del este flujo, mejorando los parámetros aerodinámicos del vehículo. El respiradero frontal electricamente controlado justo en frente del radiador, abre y cierra las entradas de aire de refrigeración de tal modo que el respiradero en solo abierto cuando sea necesaria refrigerar el motor. Cuando el respiradero permanece cerrado, la resistencia del aire disminuye, y por lo tanto el consumo de combustible. Este sistema logra reducir el consumo de combustible y las emisiones, al mismo tiempo que incrementa el placer de conducir (marketing).

Resumiendo, la aerodinámica de un coche:

• Juega un importante papel en la fase de diseño del vehículo
• Es necesario analizar con cuidado: las fuerzas que actuan sobre el vehículo.
• Parcialmente determina el rendimiento y eficiencia del vehículo.

Espero que este artículo os haya dejado satisfechos y haya respondido a la cuestión que da nombre a este post. ¡No dudéis en contactar conmigo si quisieseis más información referente a este tema!

¡Gracias por tu atención amigo de Petrolheadgarage!