Flujo turbulento
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Flujo turbulento

Cómo la tecnología moderna cambia la aerodinámica de un automóvil

La baja resistencia al aire ayuda a reducir el consumo de combustible. A este respecto, sin embargo, existen enormes oportunidades para el desarrollo. Hasta ahora, por supuesto, los expertos en aerodinámica están de acuerdo con la opinión de los diseñadores.

"Aerodinámica para aquellos que no pueden fabricar motocicletas". Estas palabras fueron pronunciadas por Enzo Ferrari en los años 60 y demuestran claramente la actitud de muchos diseñadores en este aspecto tecnológico del automóvil. Sin embargo, solo diez años después, llegó la primera crisis del petróleo y todo su sistema de valores cambió radicalmente. Los tiempos en que todas las fuerzas de resistencia en el movimiento del automóvil, y especialmente las que surgen como resultado de su paso a través de las capas de aire, se ven superadas por amplias soluciones técnicas, como aumentar el volumen de trabajo y la potencia de los motores, independientemente de la cantidad de combustible consumida, desaparecen y los ingenieros comienzan Busque formas más efectivas de lograr sus objetivos.

Por el momento, el factor tecnológico de la aerodinámica está cubierto con una gruesa capa de polvo de olvido, pero no es completamente nuevo para los diseñadores. La historia de la tecnología muestra que incluso en los años veinte, cerebros avanzados e inventivos, como el alemán Edmund Rumpler y el húngaro Paul Jaray (que creó el culto al Tatra T77), formaron superficies aerodinámicas y sentaron las bases para un enfoque aerodinámico del diseño de la carrocería. Fueron seguidos por una segunda ola de expertos en aerodinámica como el barón Reinhard von Kenich-Faxenfeld y Wunibald Kam, quienes desarrollaron sus ideas en la década de 1930.

Está claro para todos que con el aumento de la velocidad llega un límite, por encima del cual la resistencia del aire se convierte en un factor crítico en la conducción de un automóvil. La creación de formas optimizadas aerodinámicamente puede desplazar este límite significativamente hacia arriba y se expresa mediante el llamado coeficiente de flujo Cx, ya que un valor de 1,05 tiene un cubo invertido perpendicular al flujo de aire (si se gira 45 grados a lo largo de su eje, de modo que su borde aguas arriba se reduce a 0,80). Sin embargo, este coeficiente es solo una parte de la ecuación de la resistencia del aire: el tamaño del área frontal del automóvil (A) debe agregarse como un elemento esencial. La primera de las tareas de los aerodinámicos es crear superficies limpias y aerodinámicamente eficientes (factores de los cuales, como veremos, hay muchos en el automóvil), lo que finalmente conduce a una disminución en el coeficiente de flujo. Para medir esto último, se necesita un túnel de viento, que es una instalación costosa y extremadamente compleja; un ejemplo de esto es el túnel de 2009 millones de euros de BMW encargado en 170. El componente más importante no es un ventilador gigante, que consume tanta electricidad que necesita una estación transformadora separada, sino un soporte de rodillos preciso que mide todas las fuerzas y momentos que el chorro de aire ejerce sobre el automóvil. Su trabajo es evaluar toda la interacción del automóvil con el flujo de aire y ayudar a los especialistas a estudiar cada detalle y cambiarlo de tal manera que no solo sea eficiente en el flujo de aire, sino también de acuerdo con los deseos de los diseñadores. . Básicamente, los principales componentes de resistencia que encuentra un automóvil provienen de cuando el aire que se encuentra frente a él se comprime y se desplaza y, algo extremadamente importante, de la intensa turbulencia detrás de él en la parte trasera. Allí se forma una zona de baja presión que tiende a tirar del coche, que a su vez se mezcla con la fuerte influencia del vórtice, que los aerodinámicos también llaman "excitación muerta". Por razones lógicas, detrás de los modelos de finca, el nivel de presión reducida es mayor, como resultado de lo cual el coeficiente de flujo se deteriora.

Factores de resistencia aerodinámica

Este último depende no solo de factores como la forma general del automóvil, sino también de partes y superficies específicas. En la práctica, la forma general y las proporciones de los automóviles modernos tienen una participación del 40 por ciento en la resistencia total del aire, una cuarta parte de la cual está determinada por la estructura de la superficie del objeto y características como espejos, luces, matrícula y antena. El 10% de la resistencia del aire se debe al flujo a través de los orificios hacia los frenos, el motor y la caja de cambios. El 20% son el resultado de vórtices en las diversas estructuras de piso y suspensión, es decir, todo lo que sucede debajo del automóvil. Y lo más interesante es que hasta un 30% de la resistencia del aire se debe a los vórtices que se crean alrededor de las ruedas y las alas. Una demostración práctica de este fenómeno da una clara indicación de esto: el coeficiente de consumo de 0,28 por automóvil disminuye a 0,18 cuando se quitan las ruedas y se cubren los agujeros en el alerón al completar la forma del automóvil. No es una coincidencia que todos los autos con un kilometraje sorprendentemente bajo, como el primer Honda Insight y el auto eléctrico EV1 de GM, tengan guardabarros traseros ocultos. La forma aerodinámica general y la parte delantera cerrada, debido al hecho de que el motor eléctrico no requiere una gran cantidad de aire de refrigeración, permitió a los desarrolladores de GM desarrollar el modelo EV1 con un coeficiente de flujo de solo 0,195. Tesla modelo 3 tiene Cx 0,21. Para reducir el vórtice alrededor de las ruedas en vehículos con motores de combustión interna, los llamados. Las "cortinas de aire" en forma de una fina corriente vertical de aire se dirigen desde la abertura en el parachoques delantero, soplando alrededor de las ruedas y estabilizando los vórtices. El flujo al motor está limitado por persianas aerodinámicas y la parte inferior está completamente cerrada.

Cuanto menores sean las fuerzas medidas por el soporte de rodillos, menor será el Cx. Según el estándar, se mide a una velocidad de 140 km / h; un valor de 0,30, por ejemplo, significa que el 30 por ciento del aire por el que pasa un automóvil acelera a su velocidad. En cuanto al área frontal, su lectura requiere un procedimiento mucho más simple: para esto, con la ayuda de un láser, los contornos externos del automóvil se delinean cuando se ve desde el frente y se calcula el área cerrada en metros cuadrados. Este se multiplica posteriormente por el factor de flujo para obtener la resistencia total del aire del vehículo en metros cuadrados.

Volviendo al esquema histórico de nuestra descripción aerodinámica, encontramos que la creación del ciclo estandarizado de medición del consumo de combustible (NEFZ) en 1996 de hecho jugó un papel negativo en la evolución aerodinámica de los automóviles (que avanzó significativamente en la década de 1980). ) porque el factor aerodinámico tiene poco efecto debido al corto período de movimiento a alta velocidad. Aunque el coeficiente de flujo disminuye con el tiempo, aumentar el tamaño de los vehículos en cada clase da como resultado un aumento en el área frontal y, por lo tanto, un aumento en la resistencia del aire. Automóviles como el VW Golf, el Opel Astra y el BMW Serie 7 tenían una mayor resistencia al aire que sus predecesores en la década de 1990. Esta tendencia está impulsada por una cohorte de impresionantes modelos SUV con su gran área frontal y el deterioro del tráfico. Este tipo de automóvil ha sido criticado principalmente por su enorme peso, pero en la práctica este factor adquiere una importancia relativa menor a medida que aumenta la velocidad -mientras que al circular fuera de la ciudad a una velocidad de unos 90 km/h, la proporción de resistencia del aire es alrededor del 50 por ciento, a velocidades de autopista, aumenta al 80 por ciento de la resistencia total que encuentra el vehículo.

Túnel de viento

Otro ejemplo del papel de la resistencia del aire en la operación de un automóvil es un modelo típico de ciudad inteligente. Un biplaza puede ser ágil y ágil en las calles de la ciudad, pero un cuerpo corto y proporcional es extremadamente ineficiente desde un punto de vista aerodinámico. En un contexto de peso ligero, la resistencia del aire se está convirtiendo en un elemento cada vez más importante, y con Smart comienza a tener una fuerte influencia a velocidades de 50 km / h. No es sorprendente que no haya estado a la altura de las expectativas de bajo costo, a pesar de su construcción ligera.

Sin embargo, a pesar de las deficiencias de Smart, el enfoque aerodinámico de la empresa matriz Mercedes ejemplifica un enfoque metódico, consistente y proactivo del proceso de creación de formas eficientes. Se puede argumentar que los resultados de las inversiones en túneles de viento y el arduo trabajo en esta área son especialmente visibles en esta empresa. Un ejemplo particularmente llamativo del efecto de este proceso es el hecho de que la Clase S actual (Cx 0,24) tiene menos resistencia al viento que el Golf VII (0,28). En el proceso de encontrar más espacio interior, la forma del modelo compacto ha adquirido un área frontal bastante grande, y el coeficiente de flujo es peor que el de la clase S debido a la longitud más corta, que no permite superficies aerodinámicas largas. y principalmente debido a una transición brusca hacia atrás, favoreciendo la formación de vórtices. VW insistió en que el nuevo Golf de octava generación tendría una resistencia al aire significativamente menor y una forma más baja y aerodinámica, pero a pesar del nuevo diseño y las capacidades de prueba, esto resultó extremadamente desafiante para el automóvil. con este formato. Sin embargo, con un factor de 0,275, este es el Golf más aerodinámico jamás fabricado. El índice de consumo de combustible más bajo registrado de 0,22 por vehículo con motor de combustión interna es el del Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.

La ventaja de los vehículos eléctricos.

Otro ejemplo de la importancia de la forma aerodinámica en el contexto del peso son los modelos híbridos modernos, y aún más los automóviles eléctricos. En el caso del Prius, por ejemplo, la necesidad de una forma altamente aerodinámica también está dictada por el hecho de que a medida que aumenta la velocidad, la eficiencia de la central híbrida disminuye. En el caso de los vehículos eléctricos, todo lo relacionado con el aumento del kilometraje en modo eléctrico es extremadamente importante. Según los expertos, una pérdida de peso de 100 kg aumentará el kilometraje del automóvil en solo unos pocos kilómetros, pero, por otro lado, la aerodinámica es de suma importancia para un vehículo eléctrico. En primer lugar, porque la gran masa de estos automóviles les permite devolver parte de la energía consumida por la recuperación, y en segundo lugar, porque el alto par del motor eléctrico le permite compensar la influencia del peso en el arranque, y su eficiencia disminuye a altas velocidades y altas velocidades. Además, la electrónica de potencia y el motor eléctrico requieren menos aire de enfriamiento, lo que reduce el orificio en la parte delantera del automóvil, que, como ya hemos señalado, es la razón principal del deterioro del flujo corporal. Otro elemento de motivación de los diseñadores para crear formas más eficientes aerodinámicamente en los modelos híbridos modernos con un módulo enchufable es el modo de movimiento sin aceleración solo con la ayuda de un motor eléctrico o el llamado. navegación. A diferencia de los veleros, donde se usa el término y el viento debe mover el bote, en los automóviles el kilometraje con electricidad aumentaría si el automóvil tuviera menos resistencia al aire. Crear una forma aerodinámicamente optimizada es la forma más rentable de reducir el consumo de combustible.

Los caudales de algunos coches famosos:

Mercedes Simplex

Producción 1904, Cx = 1,05

Rumpler drop car

Producción 1921, Cx = 0,28

Ford Modelo T

Producción 1927, Cx = 0,70

Modelo Experimental Kama

Producción 1938, Cx = 0,36.

Mercedes record car

Producción 1938, Cx = 0,12

Bus vw

Producción 1950, Cx = 0,44

volkswagen "tortuga"

Producción 1951, Cx = 0,40

Panhard Dina

Producción 1954, Cx = 0,26.

Porsche 356 A

Producción 1957, Cx = 0,36.

MG EX 181

Producción de 1957, Cx = 0,15

Citroën DS19

Producción 1963, Cx = 0,33

NSU Sport Prince

Producción 1966, Cx = 0,38

Mercedes C 111

Producción 1970, Cx = 0,29

Volvo 245 Familiar

Producción 1975, Cx = 0,47

Audi 100

Producción 1983, Cx = 0,31

mercedes w124

Producción 1985, Cx = 0,29

Lamborghini Countach

Producción 1990, Cx = 0,40

Toyota Prius 1

Producción 1997, Cx = 0,29

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