Flux turbulent
Contingut
Com la tecnologia moderna està canviant l’aerodinàmica dels cotxes
La baixa resistència de l’aire ajuda a reduir el consum de combustible. En aquest sentit, però, hi ha enormes oportunitats de desenvolupament. Fins ara, és clar, els experts en aerodinàmica coincideixen amb l’opinió dels dissenyadors.
"Aerodinàmica per a aquells que no poden fabricar motocicletes". Aquestes paraules les va pronunciar Enzo Ferrari als anys 60 i demostren clarament l’actitud de molts dissenyadors de l’època envers aquest aspecte tecnològic del cotxe. No obstant això, només deu anys després va arribar la primera crisi del petroli i tot el seu sistema de valors va canviar radicalment. Els temps en què totes les forces de resistència en el moviment del cotxe, i especialment aquelles que sorgeixen com a conseqüència del seu pas per les capes d’aire, són superades per extenses solucions tècniques, com ara augmentar la cilindrada i la potència dels motors, independentment de la quantitat de combustible consumida, desapareixen i els enginyers comencen busqueu formes més efectives per assolir els vostres objectius.
De moment, el factor tecnològic de l’aerodinàmica està cobert amb una gruixuda capa de pols de l’oblit, però no és del tot nou per als dissenyadors. La història de la tecnologia demostra que, fins i tot als anys vint, cervells avançats i inventius com l’alemany Edmund Rumpler i l’hongarès Paul Jaray (que va crear el culte al Tatra T77) van donar forma a superfícies estilitzades i van establir les bases per a un enfocament aerodinàmic del disseny de carrosseries. Els van seguir una segona onada d’especialistes en aerodinàmica com el baró Reinhard von Könich-Faxenfeld i Wunibald Kam, que van desenvolupar les seves idees als anys trenta.
Tothom està clar que amb l'augment de la velocitat arriba un límit, per sobre del qual la resistència de l'aire es converteix en un factor crític per conduir un cotxe. La creació de formes aerodinàmicament optimitzades pot desplaçar aquest límit cap amunt de manera significativa i s'expressa mitjançant l'anomenat coeficient de flux Cx, ja que un valor de 1,05 té un cub invertit perpendicularment al flux d'aire (si es gira 45 graus al llarg del seu eix, de manera que la seva vora aigües amunt es redueix a 0,80). Tanmateix, aquest coeficient és només una part de l'equació de la resistència de l'aire: la mida de l'àrea frontal del cotxe (A) s'ha d'afegir com a element essencial. La primera de les tasques dels aerodinàmics és crear superfícies netes i aerodinàmicament eficients (factors dels quals, com veurem, n'hi ha molts al cotxe), que en última instància comporta una disminució del coeficient de flux. Per mesurar aquest últim, cal un túnel de vent, que és una instal·lació costosa i extremadament complexa; un exemple d'això és el túnel de 2009 milions d'euros de BMW, posat en funcionament el 170. El component més important en ell no és un ventilador gegant, que consumeix tanta electricitat que necessita una estació de transformació independent, sinó un suport de rodets precís que mesura totes les forces i moments que el raig d'aire exerceix sobre el cotxe. La seva feina és avaluar tota la interacció del cotxe amb el flux d'aire i ajudar els especialistes a estudiar cada detall i canviar-lo de manera que no només sigui eficient en el flux d'aire, sinó també d'acord amb els desitjos dels dissenyadors. . Bàsicament, els principals components d'arrossegament amb què es troba un cotxe provenen de quan l'aire que hi ha davant es comprimeix i es desplaça i, una cosa molt important, de la intensa turbulència que hi ha darrere a la part posterior. Allà es forma una zona de baixa pressió que tendeix a estirar el cotxe, que al seu torn es barreja amb la forta influència del vòrtex, que els aerodinàmics també anomenen "excitació morta". Per motius lògics, darrere dels models de finca, el nivell de pressió reduïda és més alt, com a conseqüència de la qual cosa el coeficient de cabal es deteriora.
Factors d’arrossegament aerodinàmics
Aquest últim depèn no només de factors com la forma general del cotxe, sinó també de peces i superfícies específiques. A la pràctica, la forma i les proporcions generals dels cotxes moderns tenen una part del 40 per cent de la resistència total de l'aire, una quarta part de la qual està determinada per l'estructura de la superfície de l'objecte i característiques com ara miralls, llums, matrícula i antena. El 10% de la resistència de l'aire es deu al flux dels forats cap als frens, el motor i la caixa de canvis. El 20% són el resultat del vòrtex en les diferents estructures de terra i suspensió, és a dir, tot el que passa sota el cotxe. I el més interessant és que fins a un 30% de la resistència de l'aire es deu als vòrtexs creats al voltant de les rodes i les ales. Una demostració pràctica d'aquest fenomen en dóna una clara indicació: el coeficient de consum de 0,28 per cotxe disminueix a 0,18 quan es treuen les rodes i es cobreixen els forats de l'ala amb la finalització de la forma del cotxe. No és casualitat que tots els cotxes de quilometratge sorprenentment baix, com el primer Honda Insight i el cotxe elèctric EV1 de GM, tinguin parafangs posteriors amagats. La forma aerodinàmica general i la part frontal tancada, a causa del fet que el motor elèctric no requereix una gran quantitat d'aire de refrigeració, va permetre als desenvolupadors de GM desenvolupar el model EV1 amb un coeficient de flux de només 0,195. Tesla model 3 té Cx 0,21. Per reduir el vòrtex al voltant de les rodes en vehicles amb motors de combustió interna, els anomenats. Les "cortines d'aire" en forma d'un prim corrent d'aire vertical es dirigeixen des de l'obertura del para-xocs davanter, bufant al voltant de les rodes i estabilitzant els vòrtexs. El flux al motor està limitat per persianes aerodinàmiques i la part inferior està completament tancada.
Com més baixes siguin les forces mesurades pel suport de rodets, més baixa serà la Cx. Segons la norma, es mesura a una velocitat de 140 km / h; un valor de 0,30, per exemple, significa que el 30 per cent de l'aire que passa un cotxe accelera a la seva velocitat. Pel que fa a la zona frontal, la seva lectura requereix un procediment molt més senzill: per a això, amb l'ajuda d'un làser, es dibuixen els contorns externs del cotxe quan es veuen des de davant i es calcula l'àrea tancada en metres quadrats. Posteriorment es multiplica pel factor de flux per obtenir la resistència total de l'aire del vehicle en metres quadrats.
Tornant a l'esquema històric de la nostra descripció aerodinàmica, trobem que la creació del cicle estandarditzat de mesura del consum de combustible (NEFZ) l'any 1996 va tenir un paper negatiu en l'evolució aerodinàmica dels automòbils (que va avançar significativament als anys vuitanta). ) perquè el factor aerodinàmic té poc efecte a causa del curt període de moviment a alta velocitat. Tot i que el coeficient de flux disminueix amb el temps, augmentar la mida dels vehicles de cada classe provoca un augment de l'àrea frontal i, per tant, un augment de la resistència de l'aire. Cotxes com el VW Golf, l'Opel Astra i el BMW Sèrie 1980 tenien una resistència a l'aire més alta que els seus predecessors a la dècada de 7. Aquesta tendència es veu alimentada per una cohort de models SUV impressionants amb la seva gran superfície frontal i el trànsit deteriorat. Aquest tipus de cotxe ha estat criticat principalment pel seu enorme pes, però a la pràctica aquest factor adquireix una importància relativa menor amb l'augment de la velocitat, mentre que quan es condueix fora de la ciutat a una velocitat d'uns 1990 km/h, la proporció de resistència de l'aire és al voltant del 90 per cent, a velocitats d'autopista, augmenta fins al 50 per cent de l'arrossegament total que troba el vehicle.
Tub aerodinàmic
Un altre exemple del paper de la resistència de l’aire en el rendiment del vehicle és el model típic de Smart City. Un cotxe de dues places pot ser àgil i àgil als carrers de la ciutat, però una carrosseria curta i ben proporcionada és extremadament ineficient des del punt de vista aerodinàmic. Gràcies al seu pes lleuger, la resistència de l’aire s’està convertint en un element cada cop més important i, amb l’Smart, comença a tenir un fort impacte a velocitats de 50 km / h.
Tot i les deficiències d'Smart, però, l'enfocament aerodinàmic de l'empresa matriu Mercedes exemplifica un enfocament metòdic, coherent i proactiu del procés de creació de formes eficients. Es pot argumentar que els resultats de les inversions en túnels de vent i el treball dur en aquest àmbit són especialment visibles en aquesta empresa. Un exemple especialment cridaner de l'efecte d'aquest procés és el fet que l'actual Classe S (Cx 0,24) té menys resistència al vent que el Golf VII (0,28). En el procés de trobar més espai interior, la forma del model compacte ha adquirit una àrea frontal força gran i el coeficient de flux és pitjor que el de la classe S a causa de la longitud més curta, que no permet superfícies llargues aerodinàmiques. i principalment a causa d'una transició pronunciada cap a la part posterior, afavorint la formació de vòrtexs. VW es va mostrar ferm que el nou Golf de vuitena generació tindria una resistència a l'aire significativament menor i una forma més baixa i més aerodinàmica, però malgrat el nou disseny i les capacitats de prova, això va resultar extremadament difícil per al cotxe. amb aquest format. No obstant això, amb un factor de 0,275, aquest és el Golf més aerodinàmic mai fet. La relació de consum de combustible més baixa registrada de 0,22 per vehicle amb motor de combustió interna és la del Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.
L’avantatge dels vehicles elèctrics
Un altre exemple de la importància de la forma aerodinàmica enfront del pes són els models híbrids moderns i els vehicles encara més elèctrics. En el cas del Prius, per exemple, la necessitat d’una forma altament aerodinàmica també està dictada pel fet que a mesura que augmenta la velocitat, disminueix l’eficiència del grup motriu híbrid. En el cas dels vehicles elèctrics, qualsevol cosa relacionada amb l’augment del quilometratge en mode elèctric és extremadament important. Segons els experts, una pèrdua de pes de 100 kg augmentarà el quilometratge del cotxe només uns quants quilòmetres, però, en canvi, l’aerodinàmica té una importància cabdal per a un cotxe elèctric. En primer lloc, perquè la gran massa d’aquests vehicles els permet recuperar part de l’energia consumida per la recuperació i, en segon lloc, perquè l’elevat parell del motor elèctric li permet compensar l’efecte del pes durant l’arrencada i la seva eficiència disminueix a velocitats i velocitats elevades. A més, l'electrònica de potència i el motor elèctric requereixen menys aire de refrigeració, cosa que permet una obertura més petita a la part davantera del cotxe, que, com hem assenyalat, és la principal causa de la reducció del cabal. Un altre element per motivar els dissenyadors a crear formes més eficients aerodinàmicament en els models híbrids endollables moderns és el mode només elèctric sense acceleració, o l’anomenat. navegant. A diferència dels velers, on s’utilitza el terme i el vent ha de moure el vaixell, en els cotxes, el quilometratge alimentat elèctricament augmentaria si el cotxe tingués menys resistència a l’aire. Crear una forma optimitzada aerodinàmicament és la forma més rendible de reduir el consum de combustible.
Els coeficients de consum d'alguns cotxes famosos:
Mercedes Simplex
Fabricació 1904, Cx = 1,05
Vagó caiguda Rumpler
Fabricació 1921, Cx = 0,28
Ford Model T.
Fabricació 1927, Cx = 0,70
Model experimental de Kama
Fabricat el 1938, Cx = 0,36.
Cotxe rècord Mercedes
Fabricació 1938, Cx = 0,12
Autobús VW
Fabricació 1950, Cx = 0,44
Volkswagen "Turtle"
Fabricació 1951, Cx = 0,40
Panhard Dina
Fabricat el 1954, Cx = 0,26.
Porsche 356 A.
Fabricat el 1957, Cx = 0,36.
MG EX 181
Producció de 1957, Cx = 0,15
Citroen DS 19
Fabricació 1963, Cx = 0,33
NSU Sport Prince
Fabricació 1966, Cx = 0,38
Mercedes S 111
Fabricació 1970, Cx = 0,29
Volvo 245 Estate
Fabricació 1975, Cx = 0,47
Audi 100
Fabricació 1983, Cx = 0,31
Mercedes W 124
Fabricació 1985, Cx = 0,29
Lamborghini Countach
Fabricació 1990, Cx = 0,40
Toyota Prius 1
Fabricació 1997, Cx = 0,29
