[Mecánica teórica explicada] Resistencia aerodinámica

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30/11/2009, 13:29
kakatua2004

[Mecánica teórica explicada] Resistencia aerodinámica

Explicacion teórica (Para una lectura más pausada si te intrigan los por qués)

Las fuerzas que hace el aire sobre un vehículo son fuerzas de contacto (superficiales y electromagnéticas), y se producen cuando hay una velocidad relativa entre aire y vehículo. Si el referente de las velocidades (movimiento) se sitúa en el vehículo (lo habitual en Aerodinámica), las fuerzas aerodinámicas se producen cuando el aire tiene velocidad respecto al referente (incide), de aquí que se llamen aerodinámicas (aire en movimiento). Más sencillo: con el coche parado y la atmósfera en calma no hay fuerzas de este tipo. Asimismo, se producirían si el coche estuviera parado siempre que el aire estuviera en movimiento.

En cada elemento de superficie del vehículo bañada por el aire en movimiento se produce una fuerza aerodinámica que tiene dos componentes: la componente tangencial (fricción, contenida en la superficie) y la componente normal (presión, perpendicular a la misma). Si reducimos todas estas fuerzas aerodinámicas a un punto (habitualmente el centro de masas G del vehículo) producen una resultante F y un momento de fuerzas aerodinámicas M, ambos vectores (vectores en letra negrita, módulos en letra normal) con tres componentes en un sistema cartesiano.

Se llama resistencia aerodinámica a la componente de la fuerza aerodinámica en la dirección de la velocidad de la corriente incidente aguas arriba V, donde el campo de velocidades es uniforme, ya que no está influido por la presencia del vehículo.

D = - ( F * V/V) V/V

La experiencia muestra que estas fuerzas y momentos dependen de la velocidad (V), de densidad del aire (rho) y de una superficie de contacto. El análisis dimensional concreta la forma de estas dependencias.

Recalco en que no hay que confundir la velocidad del centro de masas del vehículo (v) respecto a un sistema de referencia ligado a la tierra y la velocidad de la corriente incidente (V) respecto al vehículo. Existe una relación vectorial entre ellas y solo son iguales si la atmósfera está en reposo respecto a la tierra. Generalmente se considera que la corriente de aire incide paralelamente al suelo. Aun así, el vector velocidad de la corriente incidente puede tomar cualquier dirección contenida en ese plano del suelo, a parte del valor de su módulo (intensidad).

El caso más común es que consideremos la corriente incidente contenida en el plano de simetría del coche y su sentido de avance sea desde delante hacia atrás del coche. Este eje de los ligados al vehículo se denomina habitualmente eje x (Gx). Esta es la situación habitual de movimiento rectilíneo y horizontal del centro de masas un vehículo en el seno de la atmósfera en reposo. Cuando en estas condiciones se elige como superficie de referencia la superficie frontal del coche (S), el análisis dimensional dice que la resistencia aerodinámica (D) es proporcional a la presión dinámica del aire (q) y a la superficie frontal (S), siendo la constante de proporcionalidad un coeficiente constante (Cx). La fórmula queda:

D = q S Cx = (1/2) rho V^2 S Cx

Si el coche fuera una superficie plana perpendicular a la corriente incidente el coeficiente de proporcionalidad sería 1, pero es evidente que no lo es (más o menos fusiforme) y de ahí los valores que toma el coeficiente Cx.

Consecuencia práctica (Para una primera lectura)

Como consecuencia práctica de la anterior introducción teórica, con el coche fijado, la resistencia es proporcional al cuadrado de la velocidad de la corriente incidente V (a doble velocidad, cuádruple resistencia).

En el diseño de un vehículo, lo interesante para minimizar la resistencia aerodinámica no es minimizar el coeficiente Cx, sino el producto S·Cx (habitualmente llamado factor balístico).

Para comparar la aerodinámica de dos coches hay que comparar su factor balístico, no su Cx. De nada sirve que el Cx de un coche sea pequeño si tiene una superficie frontal enorme y viceversa.

Por eso que muchos fabricantes son reticentes a facilitar el Cx de sus modelos, la superficie frontal (esta siempre se puede medir con un plano frontal) o ambos. Afortunadamente, esta costumbre va desapareciendo.
30/11/2009, 18:05
kakatua2004

Reservado para ampliaciones futuras
03/12/2009, 14:27
jurjito

Me parece a mi que este tiene menos exito que el del decantador jeje, más que nada porque se complica mas la explicación.

Salu2
03/12/2009, 14:37
kakatua2004

Cita:

Iniciado por jurjito [Only registered and activated users can see links. Click Here To Register...]

Me parece a mi que este tiene menos exito que el del decantador jeje, más que nada porque se complica mas la explicación.

Salu2

Igual tienes razón, pero es que no he sido capaz de hacerlo sin fórmulas.

Hay que quedarse con los cuatro últimos párrafos en una primera lectura. Si esos párrafos te producen cierta intriga, se pasa a una lectura pausada del texto completo. Quizá debería haber separado claramente la explicación teórica de la consecuencia práctica. Lo voy a hacer.

Muchas gracias, jurjito.
04/12/2009, 23:46
jurjito

Cita:

Iniciado por kakatua2004 [Only registered and activated users can see links. Click Here To Register...]

Igual tienes razón, pero es que no he sido capaz de hacerlo sin fórmulas.

Hay que quedarse con los cuatro últimos párrafos en una primera lectura. Si esos párrafos te producen cierta intriga, se pasa a una lectura pausada del texto completo. Quizá debería haber separado claramente la explicación teórica de la consecuencia práctica. Lo voy a hacer.

Muchas gracias, jurjito.

No, si comprendo que sea imposible explicarlo sin las formulas, o al menos que no te sea tan sencillo, pero la verdad es que al menos para mi ya cuando entran formulas asi algo mas "avanzadas" me cuesta comprenderlo.

De todas formas hare lo que dices :ok:
04/12/2009, 23:59
R.A.S.

Buen post.

Me lo tengo que releer.
06/12/2009, 15:58
[[C|-|E]]

Muy buen aporte. ¡Muchas gracias! :)
06/12/2009, 19:16
SDi

La forma ideal para la mejor aerodinámica es la de forma de gota. Si por ejemplo veis un Opel Vectra de finales de los 90 por arriba vereis que tiene forma de gota.
07/12/2009, 12:12
kakatua2004

Cita:

Iniciado por SDi [Only registered and activated users can see links. Click Here To Register...]

La forma ideal para la mejor aerodinámica es la de forma de gota. Si por ejemplo veis un Opel Vectra de finales de los 90 por arriba vereis que tiene forma de gota.

Supongo que querrías decir un Opel Calibra, porque es aún más espectacular. Pero ahora fijaros en un Audi TT.

En realidad el cuerpo idóneo es algo así como "medio huevo", ya que el suelo es como un plano de simetría que actua como si fuera un espejo de efecto suelo (método de las imágenes). Lo que pasa es que tiene que albergar dentro un montón de volúmenes (motor, pasajeros, ruedas, etc) y se tendría que dimensionar más grande que otras soluciones, con mayor superficie mojada y superficie frontal y se desperdiciarían las ventajas de su forma.

De todas formas, hemos avanzado mucho en aerodinámica y lo que queda por hacer. Lo próximo es sustituir los retrovisores exteriores por cámaras, que son una fuente de resistencia y de ruido.
07/12/2009, 13:35
Dhusuf

Cita:

Iniciado por kakatua2004 [Only registered and activated users can see links. Click Here To Register...]

[...]Lo próximo es sustituir los retrovisores exteriores por cámaras, que son una fuente de resistencia y de ruido.

y grande! pq no veas lo que suenan algunos (y dicho así de pronto, ofrecen resistencia segun suenen...)

genial el aporte de este post! quiero más como este :)

una mini-mejora para los no iniciados: el q no entienda de fisica pero no le asusten las matematicas, que por cierto están muy sencllitsa explicadas, pero quiera seguir el texto encontrará útil un parénsis: "fuerza normal(= fuerza perpendicular)"

un saludo,
Dhusuf.
07/12/2009, 16:00
visinho

Super interesante..

Me gusta este tipo de post ;)

Un saludo
09/12/2009, 09:07
Macmel

Bueno, también se puede entender sin matemáticas ni explicaciones técnicas, que no es física cuántica.
El problema es sencillo de describir: resistencia aerodinámica es la resistencia que ofrece el aire al movimiento del vehículo. Es más fácil de entender si pensamos en un fluido más denso, como el agua: mover una mano dentro del agua exige un esfuerzo mayor que moverla fuera, debido a la resistencia que ejerce el fluido.
De qué depende? Pues obviamente, de la velocidad del vehículo respecto al aire, de la superficie del vehículo y de la forma del vehículo. Empecemos con la forma: si el vehículo es una pared, al estilo de un camión con el frontal plano, evidentemente la resistencia que opondrá el aire será mayor que si el vehículo es un ferrari. Eso es intuitivo, pero como se mide? Fácil también: se dice que cuando el vehículo es una pared, es decir un plano que se opone al movimiento, el Cx es 1 y cuando el vehículo es absolutamente plano, como un folio al que le da el aire en el canto, el Cx es 0. Evidentemente, este caso es imposible en un vehículo, por lo que todos los coches tienen un Cx entre 0 y 1 (0.25, 0.50, etc).
Independientemente de la forma, la superficie de contacto, es decir, el tamaño también influye. Si hacemos una bala con la forma de un camión, evidentemente generará mucha menos resistencia que el camión en sí. La razón es muy sencilla: la bala, por su tamaño, chocará contra menos aire que el camión y por tanto se generará menos fuerza.
Como en nuestros coches no podemos cambiar ni el Cx ni el tamaño, la variación en resistencia aerodinámica sólo depende de la velocidad: a mayor velocidad, mayor resistencia. El truco está en que la resistencia no aumenta con la velocidad, sino con el cuadrado de la velocidad. Por simplicidad, si pasas de 50 Km/h a 100 Km/h (doblas la velocidad), la resistencia no se multiplica por 2, sino que se multiplica por 4. Hace falta que el motor genere 4 veces más fuerza para ir a 100 que para ir a 50, a pesar de que sólo hemos doblado la velocidad. Y eso sólo por resistencia aerodinámica. Esta es una de la razones de por qué el consumo de combustible aumenta mucho más rápido que la velocidad.
Pensad un momento en el ejemplo del agua: si movéis la mano despacio, el agua apenas ejerce resistencia, pero si de pronto movéis la mano bruscamente, la resistencia aumenta muy rápidamente.
Por último, tened en cuenta que la resistencia depende de la velocidad respecto al aire, no al suelo. Es decir, que si vais a 100 Km/h, y no hace viento, la velocidad con respecto al aire sera de 100 Km/h. Pero si hace un viento que viene desde atrás, digamos de 20 Km/h, entonces la velocidad respecto al aire, será de 80 Km/h y estaréis ahorrando combustible para ir a la misma velocidad. Lo contrario pasaría si el viento fuera de cara.
Un saludo
09/12/2009, 15:54
jurjito

Buena explicación también Macmel. Muchas gracias :ok:
09/12/2009, 16:52
kakatua2004

Cita:

Iniciado por Macmel [Only registered and activated users can see links. Click Here To Register...]

se dice que cuando el vehículo es una pared, es decir un plano que se opone al movimiento, el Cx es 1 y cuando el vehículo es absolutamente plano, como un folio al que le da el aire en el canto, el Cx es 0. Evidentemente, este caso es imposible en un vehículo, por lo que todos los coches tienen un Cx entre 0 y 1 (0.25, 0.50, etc).

Esto no es así. La resistencia aerodinámica de una placa plana no es nula, aunque estuviera colocada como dices. Esta muy claro que hay resistencia de fricción, por lo tanto no es nula.

El modelo deja de ser válido debido a la singularidad de superficie frontal nula. Habría que tomar como referencia una superficie en planta (como se hace con las superficies sustentadoras de la aeronáutica).
09/12/2009, 21:46
angel

hola soy nuevo en el foro y me intersa mucho este tema.hace tiempo que lei el libro aerodinámica en el automovil de competición y me parecio el mejor que he leido hasta la fecha sobre esta materia,os lo aconsejo
09/12/2009, 22:15
kakatua2004

Cita:

Iniciado por angel [Only registered and activated users can see links. Click Here To Register...]

hola soy nuevo en el foro y me intersa mucho este tema.hace tiempo que lei el libro aerodinámica en el automovil de competición y me parecio el mejor que he leido hasta la fecha sobre esta materia,os lo aconsejo

Lo mejor es que pongas la referencia completa, porque adivinos... va ser que no.
10/12/2009, 09:03
Macmel

Cita:

Iniciado por kakatua2004 [Only registered and activated users can see links. Click Here To Register...]

Esto no es así. La resistencia aerodinámica de una placa plana no es nula, aunque estuviera colocada como dices. Esta muy claro que hay resistencia de fricción, por lo tanto no es nula.

El modelo deja de ser válido debido a la singularidad de superficie frontal nula. Habría que tomar como referencia una superficie en planta (como se hace con las superficies sustentadoras de la aeronáutica).

Se trata de una abstracción. Evidentemente, una placa que exista físicamente tiene un grosor diferente de cero y por tanto su Cx no es cero. Se trata de una formalización, de definir los límites teóricos del Cx.
10/12/2009, 09:25
kakatua2004

Cita:

Iniciado por Macmel [Only registered and activated users can see links. Click Here To Register...]

Se trata de una abstracción. Evidentemente, una placa que exista físicamente tiene un grosor diferente de cero y por tanto su Cx no es cero. Se trata de una formalización, de definir los límites teóricos del Cx.

No Macmel, no es el espesor. No tiene resistencia de forma, ni de base, ni de interferencias, ni inducida, pero sí de fricción.

El mejor Cd obtenible para una placa plana paralela a la corriente incidente es 0.001 en régimen laminar (a bajos números de Reynolds) y 0.005 en régimen turbulento (Altos números de Reynolds), pero las explicaciones necesitarían muchos párrafos.

Además el límite superior tampoco es 1. Una placa infinita perpendicular a la corriente incidente (todos sus puntos son de remanso) tiene un Cx de 1. Pero fíjate que una placa finita perpendicular a la corriente incidente ya tiene un Cx de aproximadamente 1.2 ¿Por qué? Porque por la cara incidente tiene sobrepresión (resistencia de forma) y por la no incidente depresión (resistencia de base) y los efectos se suman.

En fin, que esto es complejo de digerir y sin fórmulas se hace muy difícil de explicar, además de que la matemática de las fórmulas susodichas es de aupa.

Un saludo.