[Mecánica teórica explicada] Resistencia aerodinámica

[kakatua2004]

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.

[kakatua2004]

Reservado para ampliaciones futuras

[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

[kakatua2004]

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.

[jurjito]

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

[R.A.S.]

Buen post.

Me lo tengo que releer.

[[[C|-|E]]]

Muy buen aporte. ¡Muchas gracias!

[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.

[kakatua2004]

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.

[Dhusuf]

[...]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.