Resistencia aerodinámica

Se denomina resistencia aerodinámica, o simplemente resistencia, a la componente de la fuerza que sufre un cuerpo al moverse a través del aire en la dirección de la velocidad relativa entre el aire y el cuerpo. La resistencia es siempre de sentido opuesto a dicha velocidad, por lo que habitualmente se dice de ella que es la fuerza que se opone al avance de un cuerpo a través del aire.

De manera más general, para un cuerpo en movimiento en el seno de un fluido cualquiera, tal componente recibe el nombre de resistencia fluidodinámica; así, en el caso del agua se denomina resistencia hidrodinámica, etc.

Introducción

Al igual que con otras fuerzas aerodinámicas, se utilizan coeficientes adimensionales que representan la efectividad de la forma de un cuerpo para el desplazamiento a través del aire.

Su coeficiente asociado es conocido popularmente como coeficiente de penetración, coeficiente de resistencia o coeficiente aerodinámico, siendo esta última denominación especialmente incorrecta ya que existen varias fuerzas aerodinámicas, con sus respectivos coeficientes aerodinámicos, y cada uno de ellos tiene un significado diferente.

La forma en que se estudia la resistencia aerodinámica presenta algunas particularidades según el campo de aplicación:

En aeronáutica

La resistencia total de un avión en vuelo se puede descomponer en las siguientes:

Resistencia parásita

Se denomina así toda resistencia que no es función de la sustentación. Está compuesta por:

Resistencia de perfil: La resistencia de un perfil alar se puede descomponer a su vez en otras dos:

Resistencia de presión: Debida a la forma de la estela.
Resistencia de fricción: Debida a la viscosidad del fluido.

Resistencia adicional: Es la resistencia provocada los componentes de un avión que no producen sustentación, como por ejemplo el fuselaje o las góndolas subalares.

Resistencia de interferencia: Cada elemento exterior de un avión en vuelo posee su capas límite, pero por su proximidad éstas pueden llegar a interferir entre sí, lo que conduce a la aparición de esta resistencia.

Resistencia inducida

Si consideramos un ala de envergadura finita, debido a unos torbellinos que aparecen en los extremos del ala por a la diferencia de presiones entre el extradós y el intradós, surge la llamada resistencia inducida, cuya fórmula es:

D_i = \frac {2L^2} {\rho \pi b^2 V^2 e}

Donde (descripción de la variable y unidades en el Sistema Internacional de Unidades):

$D_i$ - Resistencia inducida (newtons).
$L$ - Sustentación (newtons).
$\rho$ - Densidad del fluido (kg m^-3).
$b$ - Envergadura (m).
$V$ - Velocidad (m s^-1).
$e$ - Factor de eficiencia que depende de la forma en planta del ala (adimensional).

El coeficiente de la resistencia inducida es: $C_{D_i} = \frac {D_i}{ \frac {1} {2} \rho V^2 S } = \frac + C_{D_{inducida}}$

En automovilismo

La fórmula de la resistencia aerodinámica total creada por un automóvil en movimiento es idéntica a la utilizada en aeronáutica, con la salvedad de la denominación de la fuerza y de su coeficiente asociado. $F_x= \frac {1} {2} \rho V^2 S C_x$

Y el coeficiente aerodinámico de resistencia es: $C_x= \frac {F_x}{ \frac {1} {2} \rho V^2 S }$

Se utiliza la "x" porque en el triedro de referencia que se asocia al vehículo la resistencia actúa paralelamente al eje OX.

Sin embargo, para comparar diferencia "real" en cuanto a eficacia aerodinámica de dos vehículos, no se utiliza el $C_x$ , sino el $SC_x$ (que en ocasiones también se puede encontrar como $C_xS$ ).

$SC_x=C_x \cdot S$

Por lo que el $SC_x$ es función de la superficie frontal del vehículo y se mide en $m^2$ en el Sistema Internacional de Unidades.

La razón de que el coeficiente que realmente se debe utilizar para comparaciones sea el $SC_x$ es que si tenemos un vehículo "1" y un vehículo "2" y queremos comparalos en igualdad de condiciones, consideraremos ante todo que tanto la densidad del fluido que les rodea, $\rho$ , como la velocidad a la que circulan, $V$ , son las mismas para ambos. De ahí que resistencia aerodinámica que producirán será:

$F_{x_1}= \frac {1} {2} \rho V^2 S_1 C_{x_1}=A S_1 C_{x_1}$

$F_{x_2}= \frac {1} {2} \rho V^2 S_2 C_{x_2}=A S_2 C_{x_2}$

Y así, si juntamos $\frac {1} {2} \rho V^2$ en una variable $A$ , se ve claramente que la resistencia aerodinámica en igualdad de condiciones de cada uno ellos depende únicamente de su $C_x$ y su superficie frontal y de ahí que para comparar las resistencias aerodinámicas nos baste con el $SC_x$ , cuya utilización es mucho más cómoda que la utilización de fuerzas.

Factores que afectan a la aerodinámica de un coche

Las bacas perjudican la aerodinámica, aunque no lleven nada.
Pequeños detalles como el enrasado de las ventanillas, eliminar los vierteaguas, el carenado del limpiaparabrisas y tener un tapón de deposito de gasolina liso, mejoran la aerodinamica.
Las formas suaves (parachoques, retrovisores, faros, ...) suelen mejorar la aerodinámica. Aunque, un final del techo o del maletero en esquina y dirigido hacia abajo(A2,C4, Primer Astra y Irizar PB), es mejor que un final de techo o maletero redondeado( Megane Classic y último Clio).
Los bajos carenados son una solución poco utilizada, pero efectiva. Además, se pueden utilizar para pegar más el coche al firme, con muy poca penalización en la resistencia.
La cantidad de superficie que se enfrenta al viento es junto con el Coeficiente aerodinámico los dos factores que determinan la resistencia aerodinámica final.

Por este motivo, las versiones más básicas de un coche han sido con frecuencia las que han servido para asignar tal o cual Cx a un modelo, ya que solían ser las de mejor aerodinámica, ya que montaban neumáticos más estrechos y, hasta los años 1980, podían carecer del retrovisor exterior del lado opuesto al del conductor. Un ejemplo: El Renault 25 más aerodinámico era el Renault 25 TS, ya que montaba los neumáticos más estrechos y tenía un único retrovisor exterior.

Falso aerodinamismo

No es lo mismo que un coche parezca ser aerodinámico que que lo sea realmente. El que un coche sea más o menos aerodinámico depende más de detalles tales como el enrasado de las lunas (Audi 100) o el carenado de los limpiaparabrisas (Ford Scorpio de primera generación) que de formas espectaculares (Citröen CX, Lamborghini Countach ).

Algunas veces los carroceros se dejan llevar por las apariencias y las ideas preconcebidas más que por los resultados del túnel de viento. Dos ejemplos:

R12bronze.jpg|thumb|left|260px|Renault 12 Sedan. La "Línea en flecha" de este coche, con el capot ascendente y el maletero descendente, parecía muy aerodinámica y "avanzada".Una de las críticas que recibía el Sedan era su escaso maletero para la longitud del coche, fruto de la línea descendente.

No obstante, el Renault 12 familiar, con una capacidad de carga muy superior, era curiosamente más aerodinámico y mejor rutero que el Sedan. Fuente ]

Evolución del aerodinamismo de las Carrocerías

Hasta los años 1920 los fabricantes de automóviles no prestaban atención a la aerodinámica: Los parabrisas y radiadores eran verticales, la carrocería estaba llena de protrusiones y la línea del coche terminaba abruptamente de forma vertical, lo cual creaba un vacío parcial en el aire que frenaba al vehículo a altas velocidades (igual que en los Familiares modernos).

El único vehículo de esta década que tuvo en cuanta la aerodinámica fue el no convencional Rumpler Tropfenwagen, diseñado por el fabricante de aviones Edmund Rumpler. El Tropfenwagen fue el primer automóvil con forma de lágrima. Este vehículo tenía un asombroso Cx de 0.28. Los vehículos Rumpler aparecen en la película de 1927 Metrópolis, donde varios son destruidos. Sólo quedan dos Rumpler en todo el mundo, uno de ellos en el Deutsches Museum ^*.

En los años 1930 empezaron a aparecer nuevos automóviles en cuyo diseño se había tenido en cuenta la aerodinámica. La teoría en boga entonces era que un coche en forma de lágrima era la forma "naturalmente" más aerodinámica. Como un coche en forma de lágrima no es práctico (como demostró el fracaso comercial del Tropfenwagen), empezaron a aparecer automóviles en forma de media gota seccionada longitudinalmente y puesta de forma horizontal. Por ejemplo: Los Tatra, el Volkswagen Tipo I ( el "Escarabajo") o el (en inglés) en:Chrysler Airflow ("flujo de aire").

El aerodinamicista Wunibald Kamm demuestra que la forma de media lágrima cortada funcionaba aerodinámicamente mejor que la media lágrima completa, y que así además se evitaba el freno aerodinámico producido por las turbulencias alrededor de la punta de la lágrima. Además, Kamm propuso una forma tal que se aflautase en la cola del vehículo, hasta que esta tuviese un área seccional que fuese alrededor de un 50% del área seccional máxima. De sus estudios se derivó el estilo de carrocería de "Cola truncada" o Kammback.

En los años 1940 se interrumpió el desarrollo automovilístico, desplazado por las necesidades industriales de la Segunda Guerra Mundial.

En los años 1950 y 1960 hubo escaso interés en la aerodinámica en el automóvil. La gasolina barata y la venta de automóviles basada en el estilo de la carrocería hacían que la aerodinámica tuviese poco interés para los fabricantes.

En los años 1970 Las crisis del petróleo de 1973 y 1979 despertaron un nuevo interés por la aerodinámica en los fabricantes de automóviles. Automóviles como el Citroen GS o el Citroén CX fueron fruto de ese nuevo interés. Audi 100 III silver vl.jpg En los años 1980 destaca el Audi 100 de 1983, que consiguió un Cx de 0.30 con una carrocería tipo Sedan (más desfavorable aerodinámicamente que la carrocería Liftback).

El Audi 100 recurrió a refinamientos tales como enrasar las lunas laterales en la carrocería, sujetando las lunas a los pilares A, B y C mediante clips pasantes. Algunos Audi 100 llegaron a llevar pegatinas puestas por el fabricante con el Cx del vehículo.

Ver también Lista de Cx de automóviles

Ejemplo de aplicación práctica

Hasta ahora hemos hablado de fuerzas y coeficientes, pero para hacernos una idea del gasto energético necesario para desplazar un vehículo es mucho más común tratar con potencias, caso en cual nos resulta de utilidad la siguiente fórmula:

$Potencia= \frac {Trabajo}{Tiempo}= \frac { Fuerza \cdot Espacio } {Tiempo}= Fuerza \cdot \frac {Espacio}{Tiempo}=Fuerza \cdot Velocidad$

Por lo tanto, si conocemos los datos aerodinámicos de un cuerpo también podemos calcular la potencia necesaria para desplazarlo por un fluido a cierta velocidad, tal como se muestra en el siguiente ejemplo:

Datos:

Vehículo considerado: Audi A3 (2003)
Superficie frontal: $S=2,13 \ m^2$ (dato oficial)
Coeficiente: $C_x=0,32$ (dato oficial)
Densidad del aire: $\rho=1,225 \ \frac {kg}{m^3}$ (densidad a 0 metros según ISA)
Velocidad: $V=120 \ \frac {km}{h}=33,33 \ \frac {m}{s}$

Cálculo:

$P=F_x \cdot V = \frac {1} {2} \rho S C_x V^3= \frac {1} {2} \cdot 1,225 \cdot 2,13 \cdot 0,32 \cdot {33,33}^3=15457,58 \ W=21,03 \ C.V.$

Sin embargo, no se debe olvidar que esta no es la potencia total necesaria, ya que en la realidad en el desplazamiento propulsado de un coche además de la resistencia aerodonámica existen otras resistencias como por ejemplo la fricción con el suelo, así como pérdidas mecánicas.

Ejemplos de coeficientes aerodinámicos de coches

Cuerpo	Superficie frontal ( $m^2$ )	$C_x$	$SC_x$ ( $m^2$ )
Audi A3 (2003)	2,13	0,32	0,68
BMW Serie 1 (2004)	2,09	0,31	0,65
Citröen CX (1974)	1,93	0,36	0,71
Citröen C4 coupe		0,28
Opel Astra (2004)	2,11	0,32	0,68
Peugeot 807 (2002)	2,85	0,33	0,94
Renault Espace (1997)	2,54	0,36	0,92
Renault Espace (2002)	2,8	0,35	0,98
Renault Vel Satis (2002)	2,37	0,33	0,79
Hispano Divo (2003)¹	9,2	0,349	3,21
Irizar PB (2002)¹	9,2	0,55	5,06
Camión con deflectores ¹	9	0,70
Autobús ¹	9	0,49
Motocicleta ¹		0,70
Fórmula 1 en Mónaco (el mayor) ²		1,084
Fórmula 1 en Monza (el menor) ²		0,7
Paracaídas ¹		1,33
Perfil alar simétrico ¹		0,05
Esfera ¹		0,1
Cubo valor de referencia ¹		1

¹Valores aproximados. Cada modelo tiene un Cx diferente, pero se acercará al valor de la tabla.
Aparte de la forma influyen otros factores, como rugosidad de la superficie. Por ejemplo, una pelota de golf es más aerodinámica, por sus agujeros, que una esfera equivalente.
²Los coeficientes de los coches de Fórmula 1 pueden variar según la configuración de sus superfices aerodinámicas, la cual se ajusta para cada circuito. sacado de aquí.

Véase también

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