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¬ŅC√≥mo funciona la aerodin√°mica?

¬ŅC√≥mo funciona la aerodin√°mica?
Contenido
  1. la ciencia de la aerodinámica
  2. el coeficiente de arrastre
  3. Historia del diseño aerodinámico del automóvil
  4. Mida la resistencia con ventiladores
  5. componentes aerodinámicos

la ciencia de la aerodinámica

Antes de ver cómo se aplica la aerodinámica a los automóviles, aquí hay un breve curso de actualización de física para que pueda tener una idea básica.

Cuando un objeto se mueve a través de la atmósfera, mueve el aire a su alrededor. El objeto también está sujeto a la gravedad y al arrastre. Diapositiva se genera cuando un objeto sólido se mueve a través de un medio fluido como el agua o el aire. El arrastre aumenta con la velocidad: cuanto más rápido se mueve el objeto, más se arrastra.

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Medimos el movimiento de un objeto usando los factores descritos en las leyes de Newton. Esto incluye masa, velocidad, peso, fuerza externa y aceleración.

El arrastre tiene un efecto directo sobre la aceleración. La aceleración (a) de un objeto es su peso (W) menos su arrastre (D) dividido por su masa (m). Recuerde que el peso es la masa de un objeto multiplicada por la fuerza de gravedad que actúa sobre él. Su peso cambiaría en la Luna debido a la menor gravedad, pero su masa seguiría siendo la misma. Para ser más simple:

a = (L – P) / m

(fuente: NASA)

A medida que un objeto acelera, su velocidad y resistencia aumentan, hasta el punto en que la resistencia se vuelve igual al peso, en cuyo caso no puede ocurrir ninguna aceleración adicional. Digamos que nuestro objeto en esta ecuación es un automóvil. Esto significa que a medida que el automóvil va más y más rápido, más y más aire lo empuja, lo que limita cuánto puede acelerar y lo limita a una cierta velocidad.

¿Cómo se aplica todo esto al diseño de automóviles? Bueno, eso es útil para determinar un número grande: el coeficiente de arrastre. Es uno de los principales factores que determina la facilidad con que un objeto se mueve por el aire. El coeficiente de arrastre (Cd) es igual al arrastre (D), dividido por la cantidad de densidad (r), multiplicado por la mitad de la velocidad (V) multiplicado por el área (A). Para hacerlo más legible:

Cd = D / (LA * .5 * r * V ^ 2)

[source: NASA]

Siendo realistas, ¿qué coeficiente aerodinámico pretende un diseñador de automóviles para construir un automóvil con intenciones aerodinámicas? Descúbrelo en la página siguiente.

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el coeficiente de arrastre

La forma única del Toyota Prius es un factor para lograr una increíble economía de combustible.

© iStockphoto.com / TIM MCCAIG

Acabamos de aprender que el coeficiente de arrastre (Cd) es un número que mide la fuerza de arrastre del aire sobre un objeto, como un automóvil. Ahora imagine la fuerza del aire que empuja el automóvil a medida que avanza por la carretera. A 70 mph (112,7 km / h), hay cuatro veces más fuerza contra el automóvil de 35 mph (56,3 km / h) [source: Elliott-Sink].

Las capacidades aerodinámicas de un automóvil se miden utilizando el coeficiente de resistencia del vehículo. Básicamente, cuanto más bajo es el Cd, más aerodinámico es el automóvil y más fácil puede moverse a través de la pared de aire que empuja contra él.

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Echemos un vistazo a algunas ediciones del CD. ¿Recuerdas los viejos Volvo cuadrados de los años 70 y 80? Un viejo sedán Volvo 960 alcanza un CD de 0,36. Los nuevos Volvo son mucho más elegantes y sinuosos y un sedán S80 logra 0.28 Cd [source: Elliott-Sink]. Esto demuestra algo que quizás ya haya adivinado: las formas más suaves y delgadas son más simples que las formas cuadradas. ¿Por qué exactamente esto?

Echemos un vistazo a lo más aerodinámico de la naturaleza: una lágrima. La gota es suave y redonda en todos los lados y se estrecha en la parte superior. El aire fluye suavemente a su alrededor mientras cae al suelo. Lo mismo ocurre con los automóviles: las superficies lisas y redondeadas permiten que el aire fluya en una corriente sobre el vehículo, reduciendo la “presión” del aire contra la carrocería.

Hoy en día, la mayoría de los coches alcanzan un CD de alrededor de 0,30. Los SUV, que tienden a ser más cuadrados que los automóviles porque son más grandes, pueden acomodar a más personas y, a menudo, necesitan rejillas más grandes para ayudar a enfriar el motor, tienen CD que van de 0.30 a 0.40 o más. Las camionetas, un diseño deliberadamente cuadrado, generalmente viajan alrededor de 0.40 [source: Siuru].

Muchos han cuestionado el aspecto “único” del Toyota Prius Hybrid, pero tiene una forma extremadamente aerodinámica por una buena razón. Entre otras características eficientes, su 0.26 Cd le permite alcanzar un kilometraje muy alto. De hecho, reducir el CD de un automóvil en solo 0.01 puede resultar en un aumento de 0.2 millas por galón (0.09 kilómetros por litro) en el ahorro de combustible. [source: Siuru].

En la página siguiente, veremos la historia del diseño aerodinámico.

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Historia del diseño aerodinámico del automóvil

Estos coches clásicos muestran lo poco que se sabía sobre la aerodinámica de los vehículos a principios del siglo XX.

Estos coches clásicos muestran lo poco que se sabía sobre la aerodinámica de los vehículos a principios del siglo XX.

© iStockphoto.com / John W. DeFeo

Aunque los científicos han sido más o menos conscientes de lo que se necesita para crear formas aerodinámicas durante mucho tiempo, tomó algún tiempo aplicar estos principios al diseño de automóviles.

Los primeros coches no tenían nada de aerodinámico. Eche un vistazo al modelo insignia Ford T: se parece más a un carruaje tirado por caballos sin los caballos, un diseño muy cuadrado en realidad. Muchos de estos primeros autos no tenían que preocuparse por la aerodinámica, ya que eran relativamente lentos. Sin embargo, algunos autos de carreras de principios de 1900 incorporaron características cónicas y aerodinámicas de una forma u otra.

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En 1921, el inventor alemán Edmund Rumpler creó el Rumpler-Tropfenauto, que se traduce como “coche en forma de lágrima”. Basado en la forma más simplificada de la naturaleza, la lágrima, tenía un Cd de solo 0.27, pero su apariencia única nunca impresionó a la audiencia. Solo se fabricaron alrededor de 100. [source: Price].

En el lado estadounidense, uno de los mayores avances en diseño aerodinámico se produjo en la década de 1930 con el Chrysler Airflow. Inspirado en los pájaros en vuelo, el Airflow fue uno de los primeros coches diseñados pensando en la aerodinámica. Aunque utiliza técnicas de construcción únicas y tiene una distribución de peso de casi 50-50 (distribución de peso igual entre los ejes delantero y trasero para un mejor manejo), una multitud cansada de la Gran Depresión nunca se enamora de su apariencia y automóvil poco convencionales. fue considerado un fracaso. Sin embargo, su diseño limpio se adelantó a su tiempo.

A principios de los años 50 y 60, algunos de los mayores avances en aerodinámica automotriz vinieron de las carreras. Originalmente, los ingenieros experimentaron con diferentes diseños sabiendo que las formas aerodinámicas podrían ayudar a sus autos a ir más rápido y funcionar mejor a velocidades más altas. Eventualmente, se convirtió en una ciencia muy precisa para hacer que el auto de carreras sea lo más aerodinámico posible. Los alerones delanteros y traseros, las narices de las paletas y los kits aerodinámicos se han vuelto cada vez más comunes para mantener el flujo de aire sobre el techo del automóvil y crear la fuerza descendente necesaria en las ruedas delanteras y traseras. [source: Formula 1 Network].

Por el lado del consumidor, empresas como Lotus, Citroën y Porsche desarrollaron diseños muy simplificados, pero estos se aplicaron principalmente a autos deportivos de alto rendimiento, no a vehículos ordinarios para el conductor promedio. La situación comenzó a cambiar en la década de 1980 con el Audi 100, un sedán de gira con un CD de 0,30 hasta ahora inaudito. Hoy en día, casi todos los automóviles están diseñados teniendo en cuenta la aerodinámica, de una forma u otra. [source: Edgar].

¿Qué ayudó a que ocurriera este cambio? La respuesta: el túnel de viento. En la página siguiente, veremos cómo el túnel de viento se ha vuelto vital para el diseño automotriz.

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Mida la resistencia con ventiladores

Los automóviles (y aviones) se prueban aerodinámicamente en túneles aéreos. viento.

Los coches (y aviones) se prueban aerodinámicamente en túneles de viento.

© iStockphoto.com / Kiyoshi Takahase Segundo

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Para medir la eficiencia aerodinámica de un automóvil en tiempo real, los ingenieros tomaron prestada una herramienta de la industria de la aviación: el túnel de viento.

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Básicamente, un ventilador es un tubo enorme con ventiladores que producen un flujo de aire sobre un objeto interno. Podría ser un automóvil, un avión o cualquier otra cosa que los ingenieros necesiten para medir la resistencia del aire. Desde una habitación detrás del túnel, los ingenieros estudian cómo el aire interactúa con el objeto, cómo fluyen las corrientes de aire a través de diferentes superficies.

El automóvil o el avión en el interior nunca se mueve, pero los ventiladores crean viento a diferentes velocidades para simular las condiciones del mundo real. A veces, ni siquiera se usa un automóvil real: los diseñadores a menudo confían en modelos a escala exacta de sus vehículos para medir la resistencia al viento. A medida que el viento se mueve sobre el automóvil en el túnel, se utilizan computadoras para calcular el coeficiente de arrastre (Cd).

Los túneles de viento no son realmente nuevos. Han existido desde finales del siglo XIX para medir el flujo de aire en muchos de los primeros intentos de aviones. Los hermanos Wright también tenían uno. Después de la Segunda Guerra Mundial, los ingenieros de autos de carrera que buscaban una ventaja sobre la competencia comenzaron a usarlos para evaluar la eficiencia del equipo aerodinámico de sus autos. Esta tecnología luego se extendió a los automóviles y camiones de pasajeros.

Sin embargo, en los últimos años, los grandes túneles de viento multimillonarios se han utilizado cada vez menos. Las simulaciones por computadora están comenzando a reemplazar los túneles de viento como la mejor manera de medir la aerodinámica de un automóvil o avión. En muchos casos, los túneles de viento se utilizan principalmente para garantizar que las simulaciones por computadora sean precisas. [source: Day].

Muchos creen que agregar un spoiler a la parte trasera de un automóvil es una excelente manera de hacerlo más aerodinámico. En la siguiente sección, veremos los diferentes tipos de adiciones aerodinámicas a los vehículos y examinaremos su papel en el rendimiento y en la mejora del ahorro de combustible.

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componentes aerodinámicos

Los coches de Fórmula 1 están diseñados aerodinámicamente para generar la máxima carga aerodinámica.

Los coches de Fórmula 1 están diseñados aerodinámicamente para generar la máxima carga aerodinámica.

© iStockphoto.com / Tan Kian Khoon

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La aerodinámica no se trata solo de resistencia, sino que también hay otros factores llamados sustentación y carga aerodinámica. Ascensor es la fuerza que se opone al peso de un objeto y lo levanta en el aire y lo sostiene. fuerza de apoyo es lo opuesto a la sustentación: la fuerza que empuja un objeto hacia el suelo [source: NASA].

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Podría pensar que el coeficiente de arrastre de un automóvil de carreras de Fórmula 1 sería demasiado bajo: un automóvil súper aerodinámico es más rápido, ¿verdad? No en este caso. Un coche de F1 típico tiene un CD de alrededor de 0,70.

¿Por qué este tipo de coche de carreras es capaz de superar las 200 millas por hora (321,9 kilómetros por hora) pero no tan aerodinámicamente como podría haber imaginado? Eso es porque los autos de Fórmula 1 están diseñados para generar tanta carga aerodinámica como sea posible. A la velocidad a la que se mueven y con su peso extremadamente ligero, estos coches empiezan a sentirse elevados a determinadas velocidades; la física los obliga a despegar como un avión. Por supuesto, los automóviles no están destinados a volar por el aire, y si un automóvil despega, podría significar un accidente devastador. Por esta razón, la carga aerodinámica debe maximizarse para mantener el automóvil en el suelo a alta velocidad, lo que significa que se requiere un Cd alto.

Los autos de Fórmula 1 logran esto mediante el uso de guardabarros o aletas montadas en la parte delantera y trasera del vehículo. Estas defensas canalizan el flujo de aire hacia corrientes de aire que presionan el automóvil contra el suelo, más conocido como carga aerodinámica. Esto maximiza la velocidad en las curvas, pero debe equilibrarse cuidadosamente con el elevador para permitir que el automóvil también tenga la velocidad correcta en las rectas. [source: Smith].

Muchos autos de producción incluyen adiciones aerodinámicas para generar carga aerodinámica. Aunque el superdeportivo Nissan GT-R ha recibido algunas críticas de la prensa automotriz por su apariencia, toda la carrocería está diseñada para canalizar el aire sobre el auto y a través del spoiler trasero ovalado, generando mucho apoyo. El Ferrari 599 GTB Fiorano tiene los pilares B de refuerzo del volante diseñados para dirigir el aire también hacia atrás: ayudan a reducir la resistencia [source: Classic Driver].

Pero ves muchos spoilers y guardabarros en autos comunes como los sedanes Honda y Toyota. ¿Realmente agrega una ventaja aerodinámica a un automóvil? En algunos casos, esto puede agregar algo de estabilidad a altas velocidades. Por ejemplo, el Audi TT original no tenía un alerón en la tapa del maletero trasero, pero Audi agregó uno después de que se descubrió que su cuerpo redondeado creaba demasiada elevación y puede haber sido un factor en algunos restos. [source: Edgar].

En la mayoría de los casos, sin embargo, atornillar un alerón grande en la parte trasera de un automóvil normal no mejorará mucho el rendimiento, la velocidad o el manejo. En algunos casos, también puede crear más subviraje o renuencia a cambiar. Sin embargo, si cree que el spoiler gigante se ve muy bien en el maletero de su Honda Civic, no deje que nadie le diga lo contrario.

Para obtener más información sobre aerodinámica automotriz y otros temas relacionados, vaya a la página siguiente y siga los enlaces.

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Los vehículos con diseño aerodinámico tienden a ser más estables a velocidades más altas.  Vea más fotos de autos deportivos.

Los vehículos con diseño aerodinámico tienden a ser más estables a velocidades más altas. Vea más fotos de autos deportivos.

© iStockphoto.com / Mark Evans

Es malo pensar en ello, pero imagina lo que sucedería si condujera su automóvil a través de una pared de ladrillos a 65 millas por hora (104,6 kilómetros por hora). El metal se retorcería y rasgaría. El cristal se rompería. Los airbags explotarían para protegerte. Pero incluso con todos los avances en seguridad que tenemos en nuestros autos modernos, probablemente sería un accidente difícil de evitar. Un automóvil simplemente no está diseñado para atravesar una pared de ladrillos.

Pero hay otro tipo de “muro” que los coches están diseñados para atravesar durante mucho tiempo: el muro de aire que empuja a un vehículo a gran velocidad.

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La mayoría de nosotros no pensamos en el aire o el viento como una pared. A bajas velocidades y en los días en que no hay mucho viento afuera, es difícil ver cómo el aire interactúa con nuestros vehículos. Pero a alta velocidad y en días excepcionalmente ventosos, resistencia del aire (las fuerzas que actúan sobre un objeto que se mueve a través del aire, también conocido como Diapositiva) tiene un gran efecto en la forma en que un automóvil acelera, maneja y logra la eficiencia del combustible.

Aquí es donde entra la ciencia de la aerodinámica. Aerodinámico es el estudio de fuerzas y movimientos derivados de objetos en el aire. [source: NASA]. Durante varias décadas, los automóviles se han diseñado teniendo en cuenta la aerodinámica y los fabricantes de automóviles han creado una serie de innovaciones que facilitan el paso a través de esta “pared” de aire y tienen menos impacto en el aire.

En esencia, tener un automóvil diseñado teniendo en cuenta el flujo de aire significa que tiene menos dificultad para acelerar y puede funcionar mejor en términos de economía de combustible porque el motor no tiene que trabajar tan duro para empujar el automóvil contra la pared de aire.

Los ingenieros han desarrollado varias formas de hacer esto. Por ejemplo, los diseños y formas más redondeados en el exterior del vehículo están diseñados para canalizar el aire para que circule por el coche con la menor resistencia posible. Algunos automóviles de alto rendimiento también tienen partes que mueven el aire suavemente debajo del automóvil. Muchos también incluyen un propagar – También conocido como ala trasera – para evitar que el aire levante las ruedas del coche y lo vuelva inestable a alta velocidad. Aunque, como leerás más adelante, la mayoría de los spoilers que ves en los autos son solo para decoración, más que cualquier otra cosa.

En este artículo, analizaremos la física de la aerodinámica y la resistencia del aire, la historia del diseño automotriz teniendo en cuenta estos factores y cómo, con la tendencia hacia autos más ecológicos, la aerodinámica es ahora más importante que nunca.

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