Aerodinámica del automóvil para niños
La aerodinámica automotriz es el estudio de cómo el aire se mueve alrededor de un automóvil cuando este avanza. Entender esto ayuda a que los coches gasten menos combustible, sean más estables en la carretera y hagan menos ruido a altas velocidades.
Desde los primeros coches, como el La Jamais Contente de 1899, que parecía un torpedo, la aerodinámica ha sido importante. En los años 30, el Chrysler Airflow fue el primer coche de producción masiva diseñado pensando en el aire. Después, la Fórmula 1 impulsó aún más estos avances.
Hoy en día, los fabricantes usan túneles de viento y programas de computadora (llamados mecánica de fluidos computacional) para estudiar cómo el aire afecta a los coches.
Contenido
¿Qué es la aerodinámica en los coches?
La resistencia del aire al avance
Cuando un coche se mueve, el aire lo frena. A esta fuerza que se opone al movimiento se le llama resistencia aerodinámica. Los fabricantes quieren reducirla porque hace que el coche gaste más combustible y no pueda ir tan rápido.
La resistencia se calcula con una fórmula:
Donde:
es la densidad del aire (cuánto pesa el aire por metro cúbico).
es la velocidad del coche.
es el área frontal del coche (como si lo vieras de frente).
es el coeficiente de resistencia, un número que indica qué tan "aerodinámico" es el coche. Cuanto más bajo sea, mejor.
El es muy importante. Por ejemplo, un coche con un de 0,28 es más aerodinámico que uno con 0,38.
La mayor parte de la resistencia (alrededor de dos tercios) viene de la forma del coche. El aire empuja la parte delantera y crea una zona de baja presión detrás del coche, que lo "jala" hacia atrás.
Otros factores que aumentan la resistencia son las turbulencias (el aire revuelto), el aire que entra para enfriar el motor y la fricción del aire con la superficie del coche.
¿Por qué el Cx y la forma del coche son importantes para el consumo?
A velocidades altas, la resistencia del aire es la que más energía consume. Por eso, reducir el es clave para ahorrar combustible.
Por ejemplo, si un coche que va a 120 km/h reduce su de 0,40 a 0,34 (un 15%), puede ahorrar un litro de combustible cada 100 km.
La densidad del aire se considera de 1,2 kg/m³ a 20 °C.
Las siguientes tablas muestran cómo la resistencia del aire afecta a diferentes tipos de coches a distintas velocidades y con diferentes valores de .
| Superficie frontal = 2,70 m² | 50 km/h | 70 km/h | 90 km/h | 110 km/h | 130 km/h |
|---|---|---|---|---|---|
| Cx = 0,38 | 118,8 | 232,8 | 384,8 | 574,8 | 802,8 |
| Cx = 0,30 | 93,8 | 183,8 | 303,8 | 453,8 | 633,8 |
| Superficie frontal = 1,74 m² | 50 km/h | 70 km/h | 90 km/h | 110 km/h | 130 km/h |
|---|---|---|---|---|---|
| Cx = 0,38 | 76,5 | 150,0 | 248,0 | 370,4 | 517,3 |
| Cx = 0,30 | 60,4 | 118,4 | 195,8 | 292,4 | 408,4 |
Un litro de gasolina equivale a unos 10 kWh de energía. Con esto, podemos ver cuántos litros de combustible se "pierden" por la resistencia del aire:
| Superficie frontal = 2,70 m² | 50 km/h | 70 km/h | 90 km/h | 110 km/h | 130 km/h |
|---|---|---|---|---|---|
| Cx = 0,38 | 0,33 | 0,65 | 1,07 | 1,60 | 2,23 |
| Cx = 0,30 | 0,26 | 0,51 | 0,84 | 1,26 | 1,76 |
| Superficie frontal = 1,74 m² | 50 km/h | 70 km/h | 90 km/h | 110 km/h | 130 km/h |
|---|---|---|---|---|---|
| Cx = 0,38 | 0,21 | 0,42 | 0,69 | 1,03 | 1,44 |
| Cx = 0,30 | 0,17 | 0,33 | 0,54 | 0,81 | 1,13 |
Sustentación y carga aerodinámica
La sustentación es la fuerza que levanta un objeto en el aire, como en los aviones. En los coches, los fabricantes quieren lo contrario: que el coche se "pegue" al suelo. A esto se le llama carga aerodinámica o sustentación negativa.
La carga aerodinámica mejora el agarre de los neumáticos a la carretera, lo que permite frenar mejor y tomar las curvas más rápido. Se logra con diseños especiales en la parte de abajo del coche (efecto suelo) o con alerones.
Sin embargo, los alerones también aumentan la resistencia al aire. Por eso, los coches de carreras buscan un equilibrio entre la carga aerodinámica y la resistencia.
Momentos aerodinámicos
El aire no solo empuja el coche hacia atrás o hacia abajo, sino que también puede hacer que gire sobre sí mismo. Estos giros se llaman momentos aerodinámicos:
- Balanceo: Gira sobre el eje que va de adelante hacia atrás.
- Cabeceo: Gira sobre el eje que va de lado a lado (como cuando frenas y el morro baja).
- Lazo: Gira sobre el eje vertical (como cuando giras el volante).
Conocer estos momentos ayuda a diseñar coches más estables.
Historia de la aerodinámica automotriz
Los primeros coches aerodinámicos
Desde el principio, algunos ingenieros se dieron cuenta de la importancia de la aerodinámica. En 1899, el belga Camille Jenatzy diseñó La Jamais Contente, un coche eléctrico con forma de torpedo que fue el primero en superar los 100 km/h.
En los años 1910, coches como el ALFA 40/60 HP tenían carrocerías muy lisas y ruedas cubiertas para reducir la resistencia.
Los ingenieros de aviación ya sabían que la forma ideal para un objeto que se mueve en el aire es la de una "gota de agua". El ingeniero austriaco Edmund Rumpler aplicó esto a los coches. Su Rumpler Tropfenwagen de 1921 tenía un de solo 0,28, ¡un valor excelente incluso para hoy!
Pioneros visionarios
El ingeniero húngaro Paul Jaray descubrió que la forma ideal de un coche es diferente a la de un avión, porque el coche está cerca del suelo. Él y Wolfgang Klemperer hicieron pruebas en un túnel de viento y diseñaron coches con formas muy suaves, donde los faros y manijas estaban integrados en la carrocería.
Aunque estos diseños mejoraban la aerodinámica, a veces creaban problemas de estabilidad. Por eso, se buscaron soluciones como la "cola de Kamm", que es una parte trasera que se estrecha suavemente.
La crisis como motor de desarrollo
En los años 30, la crisis económica y el aumento del precio del petróleo hicieron que los fabricantes buscaran formas de hacer los coches más eficientes. Así nació el estilo "Streamline Moderne", con coches de líneas suaves y redondeadas.
El Chrysler Airflow de 1934 fue el primer coche de producción masiva con este diseño. Aunque no fue un éxito de ventas, marcó el inicio de la aerodinámica moderna en los coches de calle. En Francia, Peugeot lanzó el Peugeot 402 en 1935, con un diseño muy aerodinámico.
En los años 70, la crisis del petróleo de 1973 impulsó aún más la aerodinámica. El Citroën CX, por ejemplo, fue diseñado pensando mucho en cómo el aire fluía a su alrededor.
Fórmula 1: un laboratorio de aerodinámica
La Fórmula 1 se convirtió en un campo de pruebas para la aerodinámica. Al principio, los equipos solo intentaban reducir la resistencia. Pero en 1968, el Ferrari 312 introdujo un alerón trasero, mostrando que la aerodinámica podía usarse para "pegar" el coche al suelo.
Luego llegaron los "wing-cars" o coches de efecto suelo, como el Lotus 79. Estos coches tenían la parte de abajo diseñada como un ala invertida, creando una fuerte succión que los pegaba a la pista, permitiéndoles ir mucho más rápido en las curvas.
Colin Chapman, ingeniero de Lotus, fue clave en esta innovación. Se dio cuenta de que la parte inferior del coche podía generar mucha carga aerodinámica con poca resistencia.
Con el tiempo, la FIA puso reglas para limitar la carga aerodinámica, como la obligación de usar un fondo plano. Esto llevó a los ingenieros a inventar nuevas soluciones, como el difusor, que ayuda a recrear el efecto suelo en la parte trasera del coche.
Muchos elementos aerodinámicos de la Fórmula 1, como los alerones y difusores, han llegado a los coches de calle.
Desde los años 80 hasta hoy
La crisis del petróleo de los años 70 hizo que la aerodinámica fuera aún más importante para los coches de serie. En 1982, Audi lanzó el Audi 100 (C3), que tenía un de solo 0,30, el más bajo para un coche de producción en ese momento. Esto se logró prestando atención a pequeños detalles, como las ventanas al ras de la carrocería.
Hoy en día, los fabricantes usan túneles de viento para perfeccionar sus modelos. Los mejores coches de producción tienen valores de cercanos a 0,25.
Reducir el se ha vuelto más difícil. Pasaron casi diez años para ir del 0,26 del Opel Calibra al 0,25 del Honda Insight I, y otra década para llegar al 0,24 del Mercedes-Benz Clase E W212 cupé.
El General Motors EV1, un coche eléctrico de los años 90, tenía un excepcional de 0,19, pero se fabricaron pocas unidades. El récord actual (en 2020) para un coche disponible al público lo tiene el Aptera 2 Series, un pequeño coche de tres ruedas con un de 0,15.
| Audi 100 (C3) | Renault 25 | Subaru XT | Opel Calibra | General Motors EV1 | Honda Insight | Mercedes Clase E | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Año | 1982 | 1984 | 1985 | 1989 | 1996 | 1999 | 2009 |
| Coeficiente Cx | 0,30 | 0,28 | 0,29 | 0,26 | 0,19 | 0,25 | 0,24 |
¿Cómo influye la forma del coche en su aerodinámica?
La parte trasera del coche
El diseño de la parte trasera es muy importante. Si el aire se separa bruscamente de la carrocería, crea muchas turbulencias y aumenta la resistencia. Cuanto más suave sea la forma, menos resistencia habrá. La forma ideal para la parte trasera es la "cola de Kamm", que es un cono que se estrecha suavemente.
Los techos "aerodinámicos" suelen tener una pendiente suave hacia el maletero, lo que se llama diseño "fastback". Los estudios muestran que la resistencia es mínima si la inclinación de la luneta trasera es de unos 12 grados.
Además de reducir la resistencia, un buen diseño trasero ayuda a que la luneta no se ensucie tanto con el polvo de la carretera.
La parte delantera del coche
La parte delantera de un coche contribuye menos a la resistencia de lo que se podría pensar. Alrededor del 11% de la resistencia total viene de aquí. De ese 11%, un 8% se debe al aire que entra para enfriar el motor, que crea un flujo caótico.
El 3% restante se debe a la forma de la parte delantera, que puede generar pequeñas turbulencias.
Aunque parezca lo contrario, una parte delantera muy puntiaguda no siempre es la mejor. De hecho, algunos diseños de coches muy aerodinámicos tienen una parte delantera más redondeada.
Resistencia por fricción y por presión
La resistencia total de un coche se divide en dos tipos:
- Resistencia por fricción: Es la fricción del aire con la superficie del coche.
- Resistencia por presión: Es la fuerza que ejerce el aire al empujar la parte delantera y al crear una baja presión en la parte trasera.
La resistencia por fricción suele ser mucho menor que la resistencia por presión.
Accesorios que afectan la aerodinámica
El fondo del coche
Aunque no se ve, la parte de abajo del coche puede generar hasta un 30% de la resistencia. Esto se debe a las partes mecánicas que sobresalen. Para reducirla, se intenta que el fondo sea lo más liso posible y se reduce la altura del coche al suelo. Cubrir completamente el fondo puede reducir el hasta en 0,045.
Ruedas y pasos de rueda
Las ruedas y los guardabarros contribuyen entre un 15% y un 20% a la resistencia total. La rotación de las ruedas crea turbulencias. Cubrir las ruedas o reducir el espacio en los guardabarros ayuda, pero no siempre se hace por razones de diseño. Algunos coches antiguos, como el Citroën DS, tenían las ruedas traseras cubiertas.
Los diseños de los tapacubos y llantas también pueden afectar el flujo de aire. Por eso, algunos prototipos usan llantas lisas para ahorrar energía.
Detalles de la carrocería
Pequeños detalles como los espejos, los pilares del parabrisas o las manijas de las puertas también contribuyen a la resistencia y al ruido que hace el coche al moverse.
Refrigeración del motor
El aire que entra para enfriar el motor aumenta el del coche. En algunos aviones de la Segunda Guerra Mundial, como el North American P-51 Mustang, los ingenieros lograron que el aire de enfriamiento saliera tan rápido que incluso ayudaba a propulsar el avión.
Retrovisores exteriores
Los espejos retrovisores aumentan el del coche en un 4% o más, porque están en una zona donde el aire se mueve muy rápido. Por eso, algunos coches modernos están empezando a usar cámaras en lugar de espejos.
Barras de techo y cofres
Las barras de techo pueden aumentar el entre un 30% y un 40%. Los cofres de techo también aumentan mucho la resistencia, especialmente en coches ya muy aerodinámicos.
El futuro de la aerodinámica automotriz
Coches de producción en serie
Aunque se podría pensar que todos los coches aerodinámicos se verían iguales, los estudios demuestran que hay muchas formas posibles para lograr un bajo. Esto significa que los diseñadores seguirán teniendo libertad para crear coches con estilos variados.
Coches de récord
Los coches experimentales, diseñados para batir récords de consumo o velocidad, muestran el camino para el futuro. Por ejemplo, el Cityjoule, un coche de hidrógeno, tiene un de solo 0,10 gracias a su diseño con un difusor especial.
El coche solar Sunraycer (ganador de la World Solar Challenge de 1987) tenía un de 0,125.
Vehículos de serie innovadores
A finales de 2020, Aptera Motors lanzó el Aptera 2 Series, un coche eléctrico solar con un diseño muy aerodinámico. Su forma reduce al mínimo la superficie trasera, lo que le da un consumo de energía muy bajo.
Galería de imágenes
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Líneas de flujo alrededor de un automóvil en un túnel de viento
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El gas opaco permite visualizar los flujos de aire alrededor de la carrocería
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Llegada de G. Vinet de la carrera París-Ámsterdam-París de 1898, sobre el «Torpilleur Type B» de Amédée Bollet con carrocería de aluminio, primer coche nacido de un estudio aerodinámico
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La presión en la parte delantera de un eco-móvil (en rojo) es una fuente de resistencia, incluso si esta resistencia se compensa paradójicamente casi en su totalidad por las depresiones en el resto de la carrocería
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Punto de corte de las curvas de la resistencia aerodinámica y de la resistencia a la rodadura
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Velocidad a la que la resistencia aerodinámica es igual a la de rodadura (velocidad estable, pendiente 0)
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Velocidad de compensación de la resistencia a la rodadura y de la resistencia aerodinámica y coeficiente de influencia de la aerodinámica sobre el consumo de combustible
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Mathis 333, con su única rueda trasera. Nótese la delgadez de la parte posterior del vehículo
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Distribución del Cp sobre una berlina DrivAer fastback según su plano de simetría
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Esquema de los vórtices generados en la parte trasera de un automóvil
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Influencia de las formas delantera y trasera sobre el Cx frontal (según Walter E. Lay)
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Un Citroën Xsara visto desde atrás
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Recreación artística del Xsara, invertidos el frontal y la parte trasera
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Schlörwagen (frontal a la izquierda)
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Planos del
Schlörwagen -
Prototipo C10 de Citroën de 1956 (delantera a la dcha):
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El Sunraycer, ganador de la World Solar Challenge de 1987
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El prototipo Mercedes-Benz Bionic presenta igualmente un Cx de 0,19 (2005)
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Véase también
En inglés: Aerodynamics Facts for Kids
- Coeficiente de resistencia en automóviles
- Dinámica de vehículos
- Mecánica de fluidos computacional
- Aeroacústica
- Diagrama de von Kármán – Gabrielli
