Cómo funciona la aerodinámica

Los vehículos con un diseño aerodinámico tienden a ser más estables a velocidades más altas. Vea más fotos de autos deportivos. - © -iStockphoto.com / Mark Evans

Es desagradable pensar en ello, pero imagine lo que sucedería si chocara su automóvil contra una pared de ladrillos a 65 millas por hora (104,6 kilómetros por hora). El metal se retorcería y rasgaría. El vidrio se rompería. Las bolsas de aire estallarían para protegerte. Pero incluso con todos los avances en seguridad que tenemos en nuestros automóviles modernos, probablemente sería un accidente difícil de evitar. Un automóvil simplemente no está diseñado para atravesar una pared de ladrillos.

Pero hay otro tipo de "muro" por el que los automóviles están diseñados para moverse, y lo han sido durante mucho tiempo: el muro de aire que empuja contra un vehículo a altas velocidades..

La mayoría de nosotros no pensamos en el aire o el viento como una pared. A bajas velocidades y en los días en que no hace mucho viento afuera, es difícil notar la forma en que el aire interactúa con nuestros vehículos. Pero a altas velocidades y en días excepcionalmente ventosos, resistencia del aire (las fuerzas que actúan sobre un objeto en movimiento por el aire, también definido como arrastrar) tiene un efecto tremendo en la forma en que un automóvil acelera, maneja y logra el kilometraje de combustible.

Aquí es donde entra en juego la ciencia de la aerodinámica. Aerodinámica es el estudio de las fuerzas y el movimiento resultante de los objetos a través del aire [fuente: NASA]. Durante varias décadas, los automóviles se han diseñado teniendo en cuenta la aerodinámica, y los fabricantes de automóviles han ideado una variedad de innovaciones que hacen que atravesar esa "pared" de aire sea más fácil y menos impacto en la conducción diaria..

-Básicamente, tener un automóvil diseñado teniendo en cuenta el flujo de aire significa que tiene menos dificultad para acelerar y puede lograr mejores cifras de ahorro de combustible porque el motor no tiene que trabajar tan duro para empujar el automóvil a través de la pared de aire..

Los ingenieros han desarrollado varias formas de hacer esto. Por ejemplo, los diseños y formas más redondeados en el exterior del vehículo están diseñados para canalizar el aire de tal manera que fluya alrededor del automóvil con la menor resistencia posible. Algunos automóviles de alto rendimiento incluso tienen partes que mueven el aire suavemente por la parte inferior del automóvil. Muchos también incluyen un revelación -- también conocido como ala trasera -- para evitar que el aire levante las ruedas del automóvil y lo vuelva inestable a altas velocidades. Aunque, como leerás más adelante, la mayoría de los spoilers que ves en los autos son simplemente para decoración más que cualquier otra cosa..

En este artículo, veremos la física de la aerodinámica y la resistencia del aire, la historia de cómo se diseñaron los autos con estos factores en mente y cómo con la tendencia hacia autos "más ecológicos", la aerodinámica es ahora más importante que nunca..

Contenido

1. La ciencia de la aerodinámica
2. El coeficiente de arrastre
3. Historia del diseño aerodinámico de automóviles
4. Medición de la resistencia mediante túneles de viento
5. Complementos aerodinámicos

Antes de ver cómo se aplica la aerodinámica a los automóviles, aquí hay un pequeño curso de actualización de física para que pueda comprender la idea básica.

A medida que un objeto se mueve por la atmósfera, desplaza el aire que lo rodea. El objeto también está sujeto a la gravedad y al arrastre.. Arrastrar se genera cuando un objeto sólido se mueve a través de un medio fluido como el agua o el aire. El arrastre aumenta con la velocidad: cuanto más rápido viaja el objeto, más arrastre experimenta.

Medimos el movimiento de un objeto usando los factores descritos en las leyes de Newton. Estos incluyen masa, velocidad, peso, fuerza externa y aceleración..

El arrastre tiene un efecto directo sobre la aceleración. La aceleración (a) de un objeto es su peso (W) menos el arrastre (D) dividido por su masa (m). Recuerde, el peso es la masa de un objeto multiplicada por la fuerza de gravedad que actúa sobre él. Su peso cambiaría en la luna debido a la menor gravedad, pero su masa permanece igual. Para decirlo más simplemente:

a = (ancho - profundidad) / m

(fuente: NASA)

A medida que un objeto acelera, su velocidad y arrastre aumentan, eventualmente hasta el punto en que el arrastre se vuelve igual al peso, en cuyo caso no puede ocurrir más aceleración. Digamos que nuestro objeto en esta ecuación es un automóvil. Esto significa que a medida que el automóvil viaja cada vez más rápido, más y más aire lo empuja, lo que limita cuánto más puede acelerar y lo restringe a una cierta velocidad..

¿Cómo se aplica todo esto al diseño de automóviles? Bueno, es útil para calcular un número importante: el coeficiente de arrastre. Este es uno de los factores principales que determinan la facilidad con que un objeto se mueve por el aire. El coeficiente de arrastre (Cd) es igual al arrastre (D), dividido por la cantidad de densidad (r), multiplicado por la mitad de la velocidad (V) al cuadrado por el área (A). Para hacerlo más legible:

Cd = D / (A * .5 * r * V ^ 2)

[fuente: NASA]

De manera realista, ¿cuánto coeficiente de arrastre busca un diseñador de automóviles si está fabricando un automóvil con intención aerodinámica? Descúbrelo en la página siguiente.

La forma única del Toyota Prius es un factor que lo ayuda a obtener una increíble economía de combustible. - © -iStockphoto.com / TIM MCCAIG

- -Acabamos de aprender que el coeficiente de arrastre (Cd) es una cifra que mide la fuerza de la resistencia del aire sobre un objeto, como un automóvil. Ahora, imagine la fuerza del aire que empuja el automóvil a medida que avanza por la carretera. A 70 millas por hora (112,7 kilómetros por hora), hay cuatro veces más fuerza trabajando contra el automóvil que a 35 millas por hora (56,3 kilómetros por hora) [fuente: Elliott-Sink].

Las capacidades aerodinámicas de un automóvil se miden utilizando el coeficiente de resistencia del vehículo. Esencialmente, cuanto más bajo es el Cd, más aerodinámico es un automóvil y más fácil puede moverse a través de la pared de aire que empuja contra él..

Veamos algunos números de Cd. ¿Recuerda los viejos y cuadrados Volvo de los años setenta y ochenta? Un viejo sedán Volvo 960 alcanza un Cd de .36. Los Volvo más nuevos son mucho más elegantes y con curvas, y un sedán S80 alcanza un Cd de .28 [fuente: Elliott-Sink]. Esto demuestra algo que quizás ya hayas podido adivinar: las formas más suaves y aerodinámicas son más aerodinámicas que las cuadradas. ¿Por qué es eso exactamente?

Veamos lo más aerodinámico de la naturaleza: una lágrima. La lágrima es lisa y redonda en todos los lados y se estrecha en la parte superior. El aire fluye a su alrededor suavemente mientras cae al suelo. Lo mismo ocurre con los automóviles: las superficies lisas y redondeadas permiten que el aire fluya en una corriente sobre el vehículo, lo que reduce el "empuje" del aire contra la carrocería.

Hoy en día, la mayoría de los coches alcanzan un Cd de aproximadamente .30. Los SUV, que tienden a ser más cuadrados que los automóviles porque son más grandes, tienen capacidad para más personas y, a menudo, necesitan rejillas más grandes para ayudar a enfriar el motor, tienen un Cd de entre .30 y .40 o más. Las camionetas, un diseño deliberadamente cuadrado, generalmente se mueven .40 [fuente: Siuru].

Muchos han cuestionado el aspecto "único" del híbrido Toyota Prius, pero tiene una forma extremadamente aerodinámica por una buena razón. Entre otras características eficientes, su Cd de 0,26 le ayuda a conseguir un kilometraje muy elevado. De hecho, reducir el Cd de un automóvil en solo 0.01 puede resultar en un aumento de 0.2 millas por galón (.09 kilómetros por litro) en el ahorro de combustible [fuente: Siuru].

En la página siguiente, examinaremos la historia del diseño aerodinámico..

Estos coches antiguos demuestran lo poco que se sabía sobre la aerodinámica de los vehículos a principios del siglo XX. © -iStockphoto.com / John W. DeFeo

Si bien los científicos han sido más o menos conscientes de lo que se necesita para crear formas aerodinámicas durante mucho tiempo, tomó un tiempo aplicar esos principios al diseño de automóviles..

No había nada aerodinámico en los primeros coches. Eche un vistazo al modelo T seminal de Ford: se parece más a un carruaje de caballos sin los caballos, un diseño muy cuadrado, de hecho. Muchos de estos primeros autos no necesitaban preocuparse por la aerodinámica porque eran relativamente lentos. Sin embargo, algunos autos de carreras de principios de 1900 incorporaron características aerodinámicas y cónicas en un grado u otro..

En 1921, el inventor alemán Edmund Rumpler creó el Rumpler-Tropfenauto, que se traduce en "coche de lágrimas". Basado en la forma más aerodinámica de la naturaleza, la lágrima, tenía un Cd de solo .27, pero su apariencia única nunca captó al público. Solo se fabricaron alrededor de 100 [fuente: precio].

En el lado estadounidense, uno de los mayores avances en el diseño aerodinámico se produjo en la década de 1930 con el Chrysler Airflow. Inspirado en los pájaros en vuelo, el Airflow fue uno de los primeros coches diseñados pensando en la aerodinámica. Aunque utilizó algunas técnicas de construcción únicas y tenía una distribución de peso de casi 50-50 (distribución de peso igual entre los ejes delantero y trasero para un mejor manejo), el público cansado de la Gran Depresión nunca se enamoró de su apariencia poco convencional y del automóvil fue considerado un fracaso. Aún así, su diseño aerodinámico estaba muy adelantado a su tiempo..

A medida que llegaron las décadas de 1950 y 1960, algunos de los mayores avances en la aerodinámica de los automóviles vinieron de las carreras. Originalmente, los ingenieros experimentaron con diferentes diseños, sabiendo que las formas aerodinámicas podrían ayudar a que sus autos fueran más rápidos y manejaran mejor a altas velocidades. Eso eventualmente se convirtió en una ciencia muy precisa de fabricar el auto de carreras más aerodinámico posible. Los alerones delanteros y traseros, las narices en forma de pala y los kits aerodinámicos se volvieron cada vez más comunes para mantener el flujo de aire sobre la parte superior del automóvil y crear la carga aerodinámica necesaria en las ruedas delanteras y traseras [fuente: Formula 1 Network].

En el lado del consumidor, compañías como Lotus, Citroën y Porsche desarrollaron algunos diseños muy optimizados, pero estos se aplicaron principalmente a autos deportivos de alto rendimiento y no a vehículos cotidianos para el conductor común. Eso comenzó a cambiar en la década de 1980 con el Audi 100, un sedán de pasajeros con un Cd de .30, nunca antes visto. Hoy en día, casi todos los automóviles están diseñados teniendo en cuenta la aerodinámica de alguna manera [fuente: Edgar].

¿Qué ayudó a que ocurriera ese cambio? La respuesta: el túnel de viento. En la página siguiente exploraremos cómo el túnel de viento se ha vuelto vital para el diseño automotriz..

Los autos (y aviones) tienen su aerodinámica probada por túneles de viento. - © -iStockphoto.com / Kiyoshi Takahase Segundo

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Para medir la efectividad aerodinámica de un automóvil en tiempo real, los ingenieros han tomado prestada una herramienta de la industria aeronáutica: el túnel de viento..

En esencia, un túnel de viento es un tubo masivo con ventiladores que producen un flujo de aire sobre un objeto en el interior. Puede ser un automóvil, un avión o cualquier otra cosa que los ingenieros necesiten medir para determinar la resistencia del aire. Desde una habitación detrás del túnel, los ingenieros estudian la forma en que el aire interactúa con el objeto, la forma en que las corrientes de aire fluyen sobre las distintas superficies..

El automóvil o el avión en el interior nunca se mueve, pero los ventiladores generan viento a diferentes velocidades para simular las condiciones del mundo real. A veces, ni siquiera se usará un automóvil real: los diseñadores a menudo confían en modelos a escala exactos de sus vehículos para medir la resistencia al viento. A medida que el viento se mueve sobre el automóvil en el túnel, se utilizan computadoras para calcular el coeficiente de arrastre (Cd).

Los túneles de viento no son nada nuevo. Han existido desde finales del siglo XIX para medir el flujo de aire en muchos de los primeros intentos de aviones. Incluso los hermanos Wright tenían uno. Después de la Segunda Guerra Mundial, los ingenieros de autos de carrera que buscaban una ventaja sobre la competencia comenzaron a usarlos para medir la efectividad del equipo aerodinámico de sus autos. Esa tecnología más tarde llegó a los automóviles y camiones de pasajeros..

Sin embargo, en los últimos años, los grandes túneles de viento multimillonarios se utilizan cada vez menos. Las simulaciones por computadora están comenzando a reemplazar a los túneles de viento como la mejor manera de medir la aerodinámica de un automóvil o avión. En muchos casos, los túneles de viento se utilizan principalmente para asegurarse de que las simulaciones por computadora sean precisas [fuente: Día].

Muchos piensan que agregar un spoiler en la parte trasera de un automóvil es una excelente manera de hacerlo más aerodinámico. En la siguiente sección, examinaremos diferentes tipos de complementos aerodinámicos para vehículos y examinaremos sus funciones en el rendimiento y la mejora del consumo de combustible..

Los coches de Fórmula Uno están diseñados aerodinámicamente para generar la máxima carga aerodinámica. - © --iStockphoto.com / Tan Kian Khoon

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La aerodinámica es más que una simple resistencia: también hay otros factores llamados sustentación y carga aerodinámica.. Ascensor es la fuerza que se opone al peso de un objeto y lo eleva en el aire y lo mantiene allí. Fuerza aerodinámica es lo opuesto a la sustentación: la fuerza que presiona un objeto en la dirección del suelo [fuente: NASA].

Puede pensar que el coeficiente de resistencia aerodinámica de un automóvil de carreras de Fórmula Uno sería muy bajo: un automóvil súper aerodinámico es más rápido, ¿verdad? No en este caso. Un auto típico de F1 tiene un Cd de aproximadamente .70.

¿Por qué este tipo de automóvil de carreras es capaz de conducir a velocidades de más de 200 millas por hora (321,9 kilómetros por hora), pero no tan aerodinámico como podría haber adivinado? Eso es porque los autos de Fórmula Uno están construidos para generar tanta carga aerodinámica como sea posible. A las velocidades a las que viajan, y con su peso extremadamente ligero, estos coches comienzan a experimentar elevación a algunas velocidades: la física los obliga a despegar como un avión. Obviamente, los automóviles no están destinados a volar por el aire, y si un automóvil sale volando, podría significar un accidente devastador. Por esta razón, se debe maximizar la carga aerodinámica para mantener el automóvil en el suelo a altas velocidades, y esto significa que se requiere un Cd alto..

Los autos de Fórmula Uno logran esto usando alas o spoilers montados en la parte delantera y trasera del vehículo. Estas alas canalizan el flujo en corrientes de aire que presionan el automóvil contra el suelo, más conocido como carga aerodinámica. Esto maximiza la velocidad en las curvas, pero debe equilibrarse cuidadosamente con la elevación para permitir que el automóvil también tenga la cantidad adecuada de velocidad en línea recta [fuente: Smith].

Muchos autos de producción incluyen complementos aerodinámicos para generar carga aerodinámica. Si bien el superdeportivo Nissan GT-R ha sido algo criticado en la prensa automotriz por su apariencia, todo el cuerpo está diseñado para canalizar el aire sobre el automóvil y hacia atrás a través del alerón trasero de forma ovalada, generando mucha carga aerodinámica. El Ferrari 599 GTB Fiorano tiene pilares B de contrafuerte voladores diseñados para canalizar el aire hacia la parte trasera también, que ayudan a reducir la resistencia [fuente: Classic Driver].

Pero ves muchos spoilers y alas en los autos de todos los días, como los sedanes Honda y Toyota. ¿Añaden realmente un beneficio aerodinámico a un automóvil? En algunos casos, puede agregar un poco de estabilidad a alta velocidad. Por ejemplo, el Audi TT original no tenía un spoiler en la tapa del maletero trasero, pero Audi agregó uno después de que se descubrió que su cuerpo redondeado creaba demasiada sustentación y puede haber sido un factor en algunos accidentes [fuente: Edgar].

Sin embargo, en la mayoría de los casos, colocar un gran spoiler en la parte trasera de un automóvil común no ayudará mucho en el rendimiento, la velocidad o el manejo, si es que lo hará. En algunos casos, incluso podría crear más subviraje o renuencia a tomar las curvas. Sin embargo, si cree que ese spoiler gigante se ve muy bien en el maletero de su Honda Civic, no deje que nadie le diga lo contrario..

Para obtener más información sobre aerodinámica automotriz y otros temas relacionados, pase a la página siguiente y siga los enlaces.

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Más enlaces geniales

• NASA - Guía para principiantes de aerodinámica
• NASA - El coeficiente de arrastre
• División de Supercomputación Avanzada (NAS) de la NASA - Aerodinámica en las carreras de autos
• Symscape - Aerodinámica de Fórmula 1

Fuentes

• Conductor clásico. "El Ferrari 599 GTB Fiorano". (9 de marzo de 2009) http://www.classicdriver.com/uk/magazine/3300.asp?id=12863
• Day, Dwayne A. "Túneles de viento avanzados". Comisión del Centenario de Vuelo de EE. UU. (9 de marzo de 2009) http://www.centennialofflight.gov/essay/Evolution_of_Technology/advanced_wind_tunnels/Tech36.htm
• Edgar, Julian. "La aerodinámica del automóvil se ha estancado". Velocidad automática. (9 de marzo de 2009) http://autospeed.com/cms/A_2978/article.html
• Elliott-Sink, Sue. "Mejora de la aerodinámica para aumentar la economía de combustible". Edmunds.com. 2 de mayo de 2006. (9 de marzo de 2009) http://www.edmunds.com/advice/fueleconomy/articles/106954/article.html
• Red de Fórmula 1. "Williams F1 - Historia de la aerodinámica: evolución de la aerodinámica". (9 de marzo de 2009) http://www.f1network.net/main/s107/st22394.htm
• NASA. "Guía para principiantes de aerodinámica". 11 de julio de 2008. (9 de marzo de 2009) http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/bga.html
• NASA. "El coeficiente de arrastre". 11 de julio de 2008. (9 de marzo de 2009)
• http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/dragco.html
• Price, Ryan Lee. "Cheating Wind - Guía para compradores y tecnología aerodinámica: el arte de la aerodinámica y el automóvil". Revista europea de automóviles. (9 de marzo de 2009) http://www.europeancarweb.com/tech/0610_ec_aerodynamics_tech_buyers_guide/index.html
• Siuru, Bill. "5 hechos: Aerodinámica del vehículo". GreenCar.com. 13 de octubre de 2008. (9 de marzo de 2009) http://www.greencar.com/articles/5-facts-vehicle-aerodynamics.php
• Smith, Rich. "Aerodinámica de Fórmula 1". Symscape. 21 de mayo de 2007. (9 de marzo de 2009) http://www.symscape.com/blog/f1_aero