27 de diciembre de 2018 (*) actualizado a las 13:43

Enemigos de la eficiencia: la resistencia aerodinámica

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Eficiencia, eficiencia y eficiencia; no hablamos de otra cosa… va siendo hora de retomar el tema de la ineficiencia, posiblemente el camino más corto para entender los diferentes factores y posibles avances en el rendimiento energético de cualquier vehículo.

En el capítulo de hoy hablaremos de la aerodinámica del automóvil, pero intentando hacer una aproximación entendible a tan compleja disciplina para que nadie se vaya sin tener claras un par de cosas esenciales y de vital importancia.

¿Vamos allá?

Resistencia aerodinámica: una definición

Resistencia aerodinámica

La presión del aire contra el frontal y el vacío (succión) generado en la parte trasera se combinan para generar una fuerza opuesta al movimiento

Lo primero que hay que definir es la propia resistencia aerodinámica, para que tengamos claro de qué estamos hablando: es la fuerza opuesta al movimiento que sufre un objeto sólido (vehículo) cuando se desplaza a través del aire.

Los coches tienen que apartar una cantidad importante de aire para poder avanzar y también facilitar que se rellene el vacío que generan tras de sí. La presión del aire contra el frontal y el vacío (succión) generado en la parte trasera se combinan para generar una fuerza opuesta al movimiento.

A velocidades bajas, esta fuerza es relativamente pequeña pero, como veremos a continuación, a velocidades mayores la cosa se complica

A velocidades bajas, esta fuerza es relativamente pequeña pero, como veremos a continuación, a velocidades mayores la cosa se complica. Y de qué manera.

Existe también una fuerza ascendente, provocada por el aire que circula a presión por debajo del coche y por el vacío que se genera en la parte trasera superior, pero esa fuerza vertical no es un enemigo tan directo de la eficiencia (aunque genera otros problemas) así que no la vamos a incluir en la explicación.

Factores que determinan la resistencia aerodinámica

Resistencia aerodinámica

Resistencia aerodinámica:
R = ½ d x v2 x A x Cx
R = Resistencia aerodinámica (N)
d = Densidad del aire (kg/m3)
v2 = velocidad al cuadrado (m2/s2)
A = Superficie frontal (m2)
Cx = Coeficiente de resistencia aerodinámica

La resistencia aerodinámica depende cuatro factores: la densidad del aire, la velocidad al cuadrado, la superficie frontal y el coeficiente de resistencia aerodinámica del vehículo, todo ello multiplicándose y por tanto influyendo en la misma medida. Si dividimos el resultado de esa multiplicación entre dos, tenemos la fórmula completa, pero lo que importa aquí es lo que son y cómo actúan cada uno de esos factores.

La densidad del aire es aproximadamente constante y no la podemos variar con el diseño del vehículo, por lo que no le voy a dedicar más explicaciones.

A partir de aquí, los otros tres factores de la fórmula merecen un apartado propio en el que ser explicados.

La resistencia aerodinámica depende de la velocidad elevada al cuadrado

Resistencia aerodinámica

La velocidad al cuadrado nos invita a entrar en materia, aunque no es un factor que distinga un coche de otro, sino sólo algo importante que debemos entender y que afecta a todos por igual. Veamos.

Si multiplicamos la velocidad por dos, la resistencia se multiplica por cuatro. Intuitivamente, alguien podría pensar que la resistencia es sólo lineal (doble velocidad implicaría también doble resistencia) pero resulta que la resistencia aerodinámica se incrementa mucho más deprisa que la velocidad (*).

(*) La resistencia aerodinámica es proporcional al cuadrado de la velocidad porque si duplicamos la velocidad, el doble de aire golpea el frontal del coche y además lo hace con el doble de fuerza: velocidad x2 implica resistencia x4

Pero la cuestión de la velocidad es todavía más importante: la resistencia crece con el cuadrado de la velocidad, pero la potencia necesaria para vencer esa resistencia crece con el cubo de ésta (!!). Esto significa que cuando la velocidad se multiplica por dos, la resistencia lo hace por cuatro y la potencia necesaria por nada menos que ocho ( ** ).

(**) La potencia necesaria es proporcional al cubo de la velocidad porque si duplicamos la velocidad la fuerza se multiplica x4 (apartado anterior) y esa fuerza se aplica durante el doble de distancia por unidad de tiempo: velocidad x2 implica potencia x8

Un ejemplo numérico para que más de uno se lleve las manos a la cabeza: para mantener una velocidad constante en un tramo horizontal y sin viento un coche cualquiera podría necesitar las siguientes potencias para vencer exclusivamente su resistencia aerodinámica:

Si alguien se ha quedado sorprendido de las cifras, probablemente es que lo ha entendido bien

A 50 km/h alrededor de 2 CV
A 100 km/h alrededor de 16 CV
A 200 km/h alrededor de 128 CV
A 300 km/h alrededor de 432 CV

El ejemplo es mío, pero creo no equivocarme demasiado con respecto a un coche medio (suponiendo que pudiese alcanzar semejantes velocidades). La resistencia a la rodadura y la resistencia mecánica requerirían alguna potencia adicional, mucho menor. Si alguien se ha quedado sorprendido de las cifras, probablemente es que lo ha entendido bien.

Esta es la razón por la que una pequeña diferencia en velocidad (digamos de 110 km/h a 120 km/h) representa una gran diferencia en consumos. ¿Recordáis que había un loco que se alegró de que bajaran el límite de velocidad a 110 km/h en España? Pues era yo; pena que durase tan poco.

La resistencia aerodinámica depende de la superficie frontal

Resistencia aerodinámica

La superficie frontal es el área que ocupa el coche visto perfectamente de frente. En un plano sería el alzado del coche, cuya superficie depende de la altura, la anchura y la forma de ese alzado (incluyendo neumáticos, espejos y todo lo que esté expuesto al aire en el sentido de la marcha).

La interpretación de esto es muy sencilla: esta sección frontal es la que va barriendo un volumen de aire por unidad de tiempo cuando el coche se desplaza, y define la masa de aire que deberá apartarse. Es obvio que cuanto más aire se mueva, más trabajo implicará hacerlo.

Traducido a coches reales, los coches grandes en altura y anchura (de nuevo, furgonetas, monovolúmenes y todoterrenos) se ven enormemente penalizados, pero no necesariamente los coches largos, que de hecho tienen más oportunidades de hacer fluír el aire suavemente a su alrededor que los muy cortos.

Para salvar con éxito este escollo, coche bajo y estrecho. La posición de los pasajeros en tándem de un Renault Twizy, por ejemplo, responde en parte a este principio, aunque también a favorecer la circulación en ciudad y el aparcamiento, claro.

La resistencia aerodinámica depende del coeficiente de resistencia aerodinámica

Resistencia aerodinámica

Cuanto más suaves sean las curvas que tenga que trazar el flujo de aire para rodear el coche, mejor

El coeficiente de resistencia aerodinámica (Cx) es un número adimensional (no tiene unidades) que viene determinado casi totalmente por la forma del coche. Lo más importante, al contrario de lo que se podría esperar, es la parte trasera y la forma en que el aire rellena el vacío que el coche deja tras de sí. Cuanto más suaves sean las curvas que tenga que trazar el flujo de aire para rodear el coche, mejor.

La interpretación de este factor es fácil: la forma del coche define la trayectoria que habrá de seguir el aire para rodearlo , es decir, la velocidad y ordenación del aire en sus diferentes trayectorias.

Las esquinas angulosas, las traseras truncadas (verticales y planas como en una furgoneta, un monovolumen o un todoterreno) y en general cualquier perfil no suave que tenga que recorrer el aire nos penalizan en este aspecto.

Es curioso que a día de hoy aún no es posible terminar de desarrollar el aspecto aerodinámico de un coche sin un túnel de viento en el que realizar pruebas reales, pero lo cierto es que la simulación por ordenador todavía no ha llegado a ese nivel de perfección, tal es la naturaleza caprichosa del aire en movimiento.

Con respecto al coeficiente en sí, representa la comparación con una plancha cuadrada de aristas vivas cuyo coeficiente Cx sería igual a 1. Quiere esto decir que la resistencia ofrecida por un vehículo por causa de su forma con Cx = 0,5 sería la mitad que la de la mencionada plancha rígida, y así sucesivamente.

Conclusiones

Resistencia aerodinámica

La resistencia aerodinámica juega un papel fundamental en la eficiencia de cualquier vehículo. El consumo de potencia derivado de este factor pasa de irrelevante a colosal a medida que aumentamos la velocidad (y la potencia implica consumo de combustible).

Furgonetas, monovolúmenes y todoterrenos tienen una razón de ser muy clara y una utilidad concreta a cambio de la cual se ven penalizados en el apartado aerodinámico por una gran superficie frontal y una forma más difícil de estilizar

Una forma más aerodinámica (suave, sin aristas, con frontal redondeado y trasera estrechándose gradualmente) unida a unas dimensiones contenidas en altura y en anchura dan como resultado, a igualdad del resto de parámetros, coches más eficientes.

No se trata de prohibir ni demonizar determinados tipos de vehículos. Furgonetas, monovolúmenes y todoterrenos tienen una razón de ser muy clara y una utilidad concreta a cambio de la cual se ven penalizados en el apartado aerodinámico por una gran superficie frontal y una forma más difícil de estilizar. Pero está bien saber lo que estamos conduciendo y comprando, y valorarlo en su justa medida en todas sus facetas.

En Tecmovia: Enemigos de la eficiencia: la masa desplazada | Mercedes-Benz se centra en la aerodinámica para reducir el consumo de sus camiones

Comentarios...

  1. Fydo5

    a 100 km/h tan solo 16cv? pues vaya,pense q al ser la aerodinamica el principal factor de resistencia al avance muy por encima de la resistencia de rodadura o perdidas de transmision esta seria mucho mas importante.
    la cifra a partir de 200kmh en adelante ya son mas interesantes pero a velocidades legales de carretera casi no tiene importancia,esperaba q a 120km/h las diferencias entre un coche medianamente aerodinamico y otro un poco mas descuidado en ese aspecto fueran mas importantes,pero parece ser q no.

  2. Stéphane

    La forma la más aerodinámica que existe siendo la gota de agua. Frente redondo y desvaneciéndose hacia atrás sin de forma gradual minimizando el efecto succión. Sabia naturaleza que nos enseña como….

    1. Fydo5

       no es q la naturaleza sea sabia y haga las gotas de agua con esa forma para q sean aerodinamicas sino q el propio aire moldea el agua dandole esa forma.

      1. Stéphane

        Tiene toda la razón, no cabe duda alguna.
        Lo de «la sabiduría de la naturaleza» es un dicho, hay que tomarlo al segundo grado. Saludos

        1. David_G_Artes

          Hola amigos lectores,
          Siento «aguar» la fiesta de gotas de lluvia, pero éstas sólo tienen esa forma de lágrima en los dibujos animados. Las gotas de lluvia son bastante esféricas, con una parte inferior ligeramente aplanada y una parte superior prácticamente redonda. Están modeladas por el aire (como debería estarlo un coche) y por la tensión superficial (que nada tiene que ver con un coche).
          Cuando una gota rueda por una superficie, como una lágrima sobre la piel, sí adoptan esa forma redonda en el frente y con una estela detrás, pero en este caso la aerodinámica poco o nada tiene que ver.
          Me temo que no es una analogía demasiado aplicable, aunque la idea de «desvanecerse» hacia atrás sí que es el concepto básico a tener en cuenta para rellenar el vacío ordenadamente.

  3. Sergio..........

    Alguien tiene el coeficiente de resistencia aerodinamica de un avion comercial promedio? Gracias

  4. luis gonzalez moya

    tengo una duda, en un coche de autoescuela llevamos un letrero en el coche, este letrero por una parte esta mas plano que por la otra, teniendo una rampa ascendente pero plana, y por el otro lado es una rampa ascendente teniendo curva. que parte del letrero debe ir delante.

    1. GGRER4

      La parte más vertical delante y la más alargada descendente detrás.
      El impacto frontal del aire no es tan importante como el vacio que genera una vez pasado el cuerpo.

  5. alvarogn13

    Muy buen post, la información está genial y muy bien explicada. Lo único a discutir es la velocidad de las autovías a 110, recuerdo que la velocidad máxima de la vía es de 120, la mínima legal es la mitad, es decir, 60, cada uno es libre de ir a la que le de la gana mientras esté comprendida entre esos límites legales, por lo tanto no entiendo tu indignación. Un saludo.

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