¿Cómo afectan las cargas de viento a la resistencia de avance en los coches?

El efecto aerodinámico, representa un 12% del consumo total de combustible. Esta resistencia aerodinámica depende del movimiento del vehículo y de su fricción con el aire.

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La aerodinámica aplicada al automóvil puede definirse como el estudio de la influencia que tiene el aire en el vehículo, según sea la forma de este. Es fundamental en el diseño de coches, debido a que el comportamiento del aire influye en muchos aspectos, siendo uno de los más destacados la resistencia al avance.

En concreto, el efecto aerodinámico, en promedio, acaba suponiendo entre un 8 y un 12% del consumo total de combustible. Incrementándose su efecto conforme se incrementa la velocidad de avance. Es decir, a mayor velocidad mayor será la influencia que la resistencia aerodinámica acaba suponiendo en el consumo de combustible.

Para entender este fenómeno y cómo varía con la velocidad, hablemos de las dos componentes que afectan a esta resistencia aerodinámica, el propio movimiento del vehículo y su fricción con el aire.

 ¿Cómo afecta el avance del coche en la fuerza de resistencia aerodinámica?

A medida que avanza un vehículo debe vencer una carga de viento importante. Pero, algo que resulta más primordial es que también debe llenar el vacío creado tras de sí lo antes posible. Cuando el desplazamiento se da a bajas velocidades, el aire tiene tiempo suficiente para ocupar el espacio que deja libre el vehículo según avanza. Por tanto, la fuerza que ha de superar es pequeña. Además, la presión del aire que incide en la zona delantera de la carrocería es leve, debido a que tiene tiempo suficiente para fluir.

Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad, la masa de aire que se desplaza es mucho más grande por unidad de tiempo. Por ello, el aire que rellena el hueco que el automóvil deja libre al avanzar disminuye, creando así una zona de depresión en forma de turbulencia. Esta depresión succiona al vehículo desde la parte trasera oponiéndose a su avance. Mientras tanto, en la zona delantera se crea una presión que también ofrece una resistencia al movimiento debido al amontonamiento de aire que se acumula al avanzar. En consecuencia, la fuerza que debe superar el vehículo es grande.

presión del aire coche
Presión del aire

De acuerdo con el diseño del vehículo, más o menos aerodinámico, la resistencia será menor o mayor respectivamente. Del mismo modo, cuanta menor resistencia al aire ofrezca un vehículo, será más eficiente y requerirá un menor consumo de energía (consumo de combustible o de batería en el caso de vehículos eléctricos), lo cual se traduce en una mayor autonomía del vehículo.

 ¿Cómo afecta el drag por fricción en la resistencia aerodinámica?

Este tipo de resistencia viene dada porque el aire tiene viscosidad. Esta viscosidad hace que la velocidad del coche se transmita hacia las capas de aire que más pegadas están al coche, generando una fuerza de resistencia.

Por tanto, las capas de aire más cercanas a la superficie del coche van a la misma velocidad que el propio vehículo, mientras que en las capas más alejadas, el aire va a menor velocidad. A esta diferencia o gradiente de velocidades, cerca de la pared del vehículo, se le conoce como capa límite.

Para minimizar la resistencia por drag, la capa límite debe ser lo más fina y delgada posible. Esto lo podemos conseguir con una superficie muy pulida, para perturbar al aire lo menos posible. En este sentido, cuanto menor sea la superficie de contacto del vehículo con el aire (o superficie mojada), menor será la resistencia aerodinámica.

En cuerpos muy aerodinámicos, esta capa límite suele ser bastante fina a lo largo de toda la geometría. Sin embargo, en formas menos aerodinámicas, esta capa límite puede llegar a desprenderse, es decir, aumentar mucho su grosor. Cuando se produce este desprendimiento se generan vórtices que ofrecen una mayor resistencia al avance del vehículo.

carga de viento en coche

Para entender todo esto mucho mejor, veamos el efecto de resistencia aerodinámica de forma práctica con la baca de un coche.

¿Qué influencia aerodinámica puede llegar a tener la baca en un coche?

¿Supone un incremento apreciable en el consumo de combustible? Lo cierto es que la influencia de una baca va a provocar que el coche interactúe con más aire, por tanto generará más resistencia. Tanto por presión como por fricción. En la resistencia por presión se puede apreciar que en la parte de delante de la baca se genera una presión positiva, lo que genera una fuerza de resistencia.

desprendimiento capa límite

Y, en la resistencia por fricción, se puede apreciar como se desprende la capa límite, lo cual también genera más resistencia aerodinámica

carga de aire sin baca
Separación de capa límite sin baca
carga de aire con baca
Separación de capa límite con baca
capa límite superpuesta
Capas límite superpuestas

Con la ayuda del YouTuber Sergio Hidalgo hemos realizado un estudio en el que se ha comparado la aerodinámica de un coche con y sin baca para ver cuánto afectaba al consumo del mismo. Teniendo en cuenta que el coche del estudio mide 1,7 m de ancho y 1,45 de alto y va a una velocidad de 90 km/h sacamos que el Cd del coche con baca es de 0,23 y el Cd del coche sin baca es de 0,219. Hay una diferencia de 0,011. 

Puede parecer que la diferencia es mínima, pero esto se traduce en un 5% más de gasto en gasolina a lo largo de unos 75.000 km. 

Si queréis saber más sobre este estudio, tenéis aquí el link al vídeo completo de Youtube del canal de Sergio Hidalgo: https://www.youtube.com/watch?v=uvNetXBOxmU&t=76s

Ventajas del uso del túnel de viento virtual

En Symula ofrecemos la posibilidad de modelar cualquier cuerpo aerodinámico mediante simulación computacional de fluidos en un ordenador. El empleo de un túnel de viento a escala real en un entorno puramente digital ofrece múltiples ventajas. Por ejemplo, la capacidad de validar las propuestas de diseño y su impacto sobre el rendimiento del vehículo antes de ser fabricado. Esto aporta versatilidad y reduce enormemente el tiempo y los costes de producción. Además, se traduce en un incremento de la calidad del producto final, en términos de eficiencia aerodinámica, reducción de consumo de batería e incremento de la autonomía.

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