miércoles, 10 de enero de 2018

La resistencia aerodinámica y el coeficiente Cx en el automóvil

De todas las fuerzas que se originan en un vehículo en contra de su desplazamiento, la resistencia aerodinámica es la principal. Y su magnitud aumenta enormemente en función de la velocidad del automóvil.

El diseño de la carrocería repercute directamente en la eficacia aerodinámica de un vehículo. Y la eficacia aerodinámica es decisiva para conseguir reducir el consumo y, con ello, las emisiones de gases de escape. Además, la eficacia aerodinámica también repercute en otros factores no menos importantes como la estabilidad, la adherencia al suelo y el confort (ruidos aerodinámicos). De estos factores, la estabilidad y la adherencia al suelo son factores que inciden de forma directa en la seguridad del vehículo.
Prueba de un vehículo en un túnel 

La aerodinámica es la parte de la mecánica de fluidos que estudia los fenómenos originados cuando existe un movimiento relativo entre un sólido y el fluido gaseoso que le rodea. Dicho estudio trata de determinar las presiones y fuerzas que se generan alrededor del sólido en movimiento cuando se desplaza inmerso en fluido, en el caso dado, el aire es el fluido y la carrocería del vehículo es el sólido.

Un vehículo al moverse tiene que desplazar un volumen de aire importante a medida que avanza y, lo que resulta más importante, también debe de favorecer que el espacio "vacío" creado tras de sí sea rellenado de aire lo antes posible. He aquí el análisis de este efecto a diferentes velocidades:

• Cuando el vehículo se desplaza a velocidades bajas el aire que desplaza tiene tiempo suficiente para rellenar el espacio que deja libre el vehículo según avanza y por lo tanto la fuerza que ha de superar es pequeña. Y en la zona delantera, la presión resultante del aire que incide en el frontal de la carrocería es leve, ya que el aire tiene tiempo suficiente para fluir sin amontonarse sobre la zona delantera de la carrocería.

• Sin embargo, cuando el vehículo se desplaza a altas velocidades, la masa de aire que desplaza es mucho más grande por unidad de tiempo, con lo que el aire que rellena el hueco que el automóvil deja libre al avanzar disminuye, creando una zona de depresión en forma de turbulencia. Esta depresión succiona el vehículo desde su parte trasera oponiéndose a su avance. Y al contrario, en la zona delantera del vehículo se crea una presión que también ofrece una resistencia al movimiento debido al amontonamiento de aire que se acumula al avanzar. Consecuentemente la fuerza que ha de superar el vehículo es grande.


La magnitud de la fuerza aerodinámica que se genera en contra del movimiento del vehículo depende de diferentes factores originados por el fluido (el aire) y por el sólido móvil (el vehículo):

• Los factores originados por el aire son: La viscosidad, la densidad y la presión.
• Los factores originados por la carrocería del vehículo son: el diseño de su forma, su rugosidad, la superficie del área en contacto con el aire y, el más importante, la velocidad relativa entre el vehículo y el aire. Estos son los factores sobre los que los ingenieros tienen que trabajar para mejorar la eficacia aerodinámica y reducir el consumo de combustible y las emisiones de escape.

La suma de todas las fuerzas de presión existentes en cada uno de los puntos de la superficie de la carrocería cuando se mueve un vehículo, da como resultado una fuerza neta total que está aplicada en un punto imaginario denominado centro de presiones. Si sobre este punto descomponemos esta fuerza neta de rozamiento en sus dos componentes, atendiendo a la dirección del movimiento del vehículo, obtenemos las dos fuerzas de las que está compuesta:

• La fuerza de presiones (cdp) que origina la adherencia y la sustentación del vehículo.
• Y la fuerza de arrastre, es ésta la fuerza que directamente se opone al desplazamiento del vehículo.
Descomposición de la fuerza neta aerodinámica 
Debido a la complejidad de los efectos aerodinámicos que se originan en un vehículo cuando se desplaza y con el objetivo de facilitar su estudio, la relación entre la fuerza de la presión dinámica descrita y la superficie del área de referencia se hace depender de una sola variable denominada coeficiente. Así pues, los coeficientes más utilizados son el coeficiente de arrastre aerodinámico Cx y el coeficiente de sustentación o adherencia Cz.

¿Sabes de dónde vienen las siglas Cx y Cz que hacen referencia a los coeficientes aerodinámicos?

Se denomina coeficiente arrastre o penetración Cx porque la x hace referencia a la dirección horizontal de un eje de tres coordenadas donde se descomponen las fuerzas. Y se denomina Cz poque la z indica la dirección vertical en dicho eje al que pertenece el coeficiente de sustentación de referencia. También puede encontrarse las siglas Cd para referirse a Cx debido a que en inglés el coeficiente de penetración proviene de la palabra Drag. E igualmente ocurre con Cz ya que en inglés sería Cl por la palabra lift (elevación) correspondiente al coeficiente de sustentación.

Entonces, ¿cómo evalúan los ingenieros la aerodinámica de un vehículo?

Generalmente la aerodinámica de un vehículo se evalúa en un túnel de viento. De esta manera, variables muy difíciles de calcular como: la velocidad relativa entre el fluido (aire) y el cuerpo (vehículo), la densidad del fluido y la superficie que ocupa la sección frontal de la carrocería son datos preconcebidos y conocidos en la ecuación. Estos datos no son necesarios averiguarlos y además se pueden modular y cuantificar fácilmente con los ajustes que ofrece el túnel de viento y con el diseño de la carrocería. Así pues, se puede establecer las siguientes ecuaciones para obtener diferentes cálculos según sea el diseño y la forma del vehículo:

- Factor de penetración SCx = S * Cx
- S = Superficie del área frontal seccionada de la carrocería (m2)
- Cx = Coeficiente de penetración o arrastre aerodinámico
- Rx = Resistencia aerodinámica (Newtons)
- d = Densidad del aire (kg/m3)
- V2 = velocidad al cuadrado (m2/s2)
- Ecuación: Rx = 1/2 d * V2 * SCx

Y si lo que se necesita averiguar es la potencia (P) que tiene que invertir el vehículo en su desplazamiento, entonces la ecuación sería:

- F = Fuerza = 1/2 d * V2 * SCx
- Ecuación: P = F * V = 1/2 d * SCx * V3
- Ejemplo en un Seat León de primera generación:
- S = 2,13 m2
- Cx = 0,32
- d = 1,225 (kg/m3)
- V = 120 Km/h = 33,33 m/s
- Potencia P = 1/2 * 1,225 * 2,13 * 0,32 * 33,333 = 15457,58 Watios = 21,03 CV

Normalmente, durante las primeras fases del desarrollo de la carrocería, las ingenierías encargadas del diseño aerodinámico optan por utilizar programas de ordenador especializados en realizar todos estos cálculos aerodinámicos con mucha precisión CFD (Computational Fluid Dynamics), siendo posible simular fielmente las condiciones que se generan en un túnel aerodinámico. El uso de estos programas resulta un gran ahorro durante el diseño, debido a lo costoso que supondría construir un prototipo de carrocería que luego tuviese que ser modificado para corregir errores detectados en el túnel de viento. Gracias a estas herramientas se pueden mejorar los resultados y avanzar con más rapidez en el desarrollo aerodinámico de la carrocería. Finalmente, en el túnel aerodinámico solo es necesario confirmar los efectos programados en la carrocería y realizar pequeños ajustes.
Volskwagen XL1 con un coeficiente aerodinámico (Cx) de 0,189
El problema que se encuentran los fabricantes de vehículos a la hora de desarrollar carrocerías con una buena eficacia aerodinámica es que se reduce enormemente el volumen del habitáculo. El resultado es encontrar un buen equilibrio entre habitabilidad y el coeficiente de penetración aerodinámico. Para lograrlo, algunos fabricantes tratan de seguir el modelo de la "gota de agua". La gota de agua en su caída al suelo moldea su forma a causa del efecto aerodinámico que origina su rozamiento con el aire. El resultado es objeto de estudio para los diseñadores que persiguen un buen equilibrio entre eficacia aerodinámica y habitabilidad. Este equilibrio puede dar unos resultados sorprendentes, puesto que el hecho de que un vehículo voluminoso tenga una sección del área frontal (S) mayor, no significa que tenga una resistencia aerodinámica (Rx) peor si su coeficiente aerodinámico (Cx) es bueno. Sea éste comparado con un vehículo más pequeño cuyo coeficiente aerodinámico (Cx) es peor y, aunque su sección del área frontal (S) sea inferior, la resistencia aerodinámica (Rx) que origina resulte mayor que la del vehículo de mayor tamaño. Un ejemplo de esto sería la siguiente comparativa circulando a una velocidad de 120 Km/h:

Rx del Seat León 1 = 1/2 * 1.225 * 2.13 * 0.32 * 33.332 = 185,5 Newtons
Rx del Toyota Prius 3 = 1/2 * 1.225 * 2.30 * 0.25 * 33.332 = 156,5 Newtons

Estos datos son la prueba de que un vehículo con un habitáculo relativamente grande puede ofrecer una resistencia aerodinámica inferior que otros vehículos más pequeños si su coeficiente aerodinámico es mejor. El resultado incide directamente en un ahorro de combustible y menos emisiones de escape, incluso con un habitáculo más espacioso.

En la siguiente tabla se puede observar una comparativa con los coeficientes aerodinámicos (Cx) de diferentes vehículos y figuras representativas:




Por último, véase el siguiente vídeo acerca de las nuevas tendencias tecnológicas que algunos fabricantes empiezan a incluir en el diseño de sus vehículos. Se trata de carrocerías aerodinámicamente activas que pueden modificar su estado y forma en función de la velocidad y de las necesidades de refrigeración del motor para conseguir mejorar el rendimiento del mismo, la estabilidad del vehículo a velocidades altas y reducir el consumo de combustible y emisiones. Algunos elementos destacables son: las trampillas abatibles del radiador, alerones frontales, laterales y traseros móviles, tapacubos activos, etc.




Nota: Para más información acerca de los factores y sistemas de un vehículo que reducen en el consumo y las emisiones, consúltese los cursos de Anticontaminación gasolina y diésel del Campus On-Line en Grup Eina Digital.






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