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Coeficiente de resistencia en automóviles

El coeficiente de resistencia de un automóvil es un factor que se tiene en cuenta cuando se diseña un vehículo nuevo, dada su relación con sus otras características de rendimiento. Desde el punto de vista aerodinámico, el coeficiente de resistencia sirve para cuantificar la resistencia al avance que experimenta un vehículo cuando atraviesa el aire que lo rodea. La resistencia aerodinámica aumenta con el cuadrado de la velocidad; por lo tanto, adquiere una importancia crítica cuanto más deprisa se circula. Reducir el coeficiente de resistencia en un automóvil mejora su rendimiento principalmente en lo que respecta a su velocidad y a la eficiencia del consumo de combustible.^[1] Una forma común de evaluar la resistencia aerodinámica de un vehículo es mediante el producto de su área frontal y de su coeficiente de resistencia.

Reducción de la resistencia

La reducción de la resistencia aerodinámica en los vehículos de carretera ha dado lugar a aumentos en su velocidad máxima y en su eficiencia en el consumo de combustible, así como a la mejora de muchas otras características de rendimiento, como su estabilidad de marcha o su capacidad de aceleración.^[2] Los dos factores principales que influyen en la resistencia son el área frontal del vehículo y el coeficiente de resistencia. El coeficiente de resistencia es un valor adimensional (sin unidades) que indica cuánto resiste un objeto al movimiento a través de un fluido como el agua o el aire. Una posible complicación de alterar la aerodinámica de un vehículo es que puede provocar que tienda a elevarse demasiado. La sustentación es una fuerza aerodinámica que actúa perpendicularmente al flujo de aire alrededor de la carrocería del vehículo. Demasiada elevación puede hacer que el vehículo pierda tracción en la carretera, lo que puede hacerlo muy inseguro.^[3] La reducción del coeficiente de resistencia está relacionada con la optimización de la forma exterior de la carrocería del vehículo, para lo que se tiene en cuente la velocidad del aire circundante y el uso característico que se vaya a dar al vehículo.

Supresión de elementos accesorios

La eliminación de determinadas piezas accesorias en un automóvil es una manera fácil para que los diseñadores y propietarios de vehículos reduzcan el resistencia parásita y la resistencia frontal del vehículo con poco costo y esfuerzo. Puede ser tan simple como quitar alguna pieza que se hubiera añadido después de adquirir el vehículo, o tener que modificar o retirar una pieza del equipamiento original, es decir, cualquier parte procedente de fábrica. La mayoría de los coches deportivos de producidos en serie y los vehículos de alta eficiencia prescinden de fábrica de este tipo de elementos superfluos para ser competitivos en el mercado o en la competición, mientras que otros optan por mantener estos accesorios (a pesar de que aumentan la resistencia al aire del vehículo) por motivos estéticos o para adaptarse a los gustos de su base de clientes.^[4]

Portaequipajes

Un portaequipajes es un rasgo común en muchos vehículos utilitarios deportivos y familiares. Si bien los portaequipajes en el techo son muy útiles para disponer de capacidad adicional para transportar equipaje, también incrementan el área frontal del vehículo y aumentan el coeficiente de resistencia. Esto se debe a que el aire fluye por la parte superior del vehículo, siguiendo las suaves líneas del capó y del parabrisas, y al encontrarse con la baca se provocan turbulencias. La eliminación de este elemento ha demostrado su efecto positivo en la eficiencia del consumo de combustible en varios estudios.^[5]

Faldillas antibarro

Las faldillas antibarro rara vez aparecen como un elemento estándar en los automóviles modernos, ya que interfieren con el flujo de aire limpio alrededor del vehículo. Para vehículos más grandes, como camiones, siguen siendo importantes para el control de la pulverización en caso de pavimento mojado, y en 2001 se introdujo una nueva versión de las faldillas que se ha demostrado que crea una resistencia aerodinámica significativamente menor que los modelos habituales.^[6]^[7]^[8]

Deflector trasero

La mayoría de los deportivos suelen incluir de serie un deflector trasero, con la forma de un alerón más o menos elevado en la parte trasera del vehículo. Su principal propósito es contrarrestar la tendencia a elevarse del vehículo a altas velocidades, aumentando así su estabilidad. Para lograr la menor resistencia posible, el aire debe fluir alrededor de la carrocería aerodinámica del vehículo sin entrar en contacto con áreas de posible turbulencia. Un diseño de alerón trasero que se separa de la tapa posterior aumentará la carga aerodinámica reduciendo la tendencia del coche a elevarse a altas velocidades, pero a costa de penalizar el coeficiente de resistencia. Los deflectores planos, posiblemente inclinados ligeramente hacia abajo, pueden reducir la turbulencia y, por lo tanto, reducir el coeficiente de resistencia.^[9] Algunos automóviles cuentan con alerones traseros ajustables automáticamente, por lo que a menor velocidad el efecto sobre la resistencia se reduce cuando no es necesario disponer de los beneficios de una elevación reducida.

Retrovisores laterales

Los espejos retrovisores laterales aumentan el área frontal del vehículo e incrementan el coeficiente de resistencia, ya que sobresalen del costado del vehículo.^[10]^[11] Para disminuir el impacto que tienen sobre la resistencia del vehículo, pueden reemplazarse por espejos más pequeños o espejos con una forma diferente. Varios prototipos de la década de 2010 han reemplazando los espejos por cámaras de vídeo,^[12] pero de momento su uso no se ha generalizado porque la legislación de la mayoría de los países requieren el uso de espejos laterales.

Antena de radio

Si bien no tienen un impacto significativo en el coeficiente de resistencia debido a su pequeña sección, las antenas que se encuentran en la parte delantera del vehículo pueden reubicarse o ser sustituidas por modelos de techo más compactos, con el fin de librar al coche de esta resistencia adicional. La alternativa más común a las antenas de automóvil convencionales son las antenas de aleta de tiburón, que se encuentra en la mayoría de los vehículos de alta eficiencia.^[13] También existen antenas instalables en el interior del vehículo (normalmante, con forma de una fina rejilla de metal aplicada sobre una luna fija), que permiten sustituir la antena exterior.^[14]

Limpiaparabrisas

El efecto que tienen los limpiaparabrisas en el flujo de aire de un vehículo varía entre los distintos modelos; sin embargo, a menudo se prescinde de ellos en algunos tipos de coches de carreras y en los prototipos de alta eficiencia para mantener el menor coeficiente de resistencia posible. Una opción mucho más común es reemplazar los limpiaparabrisas convencionales por otros de perfil más bajo, quitar el limpiaparabrisas del lado del pasajero, disponer delectores para evitar que el aire incida sobre las escobillas, o bien diseñar la carrocería del automóvil para que queden totalmente escondidos por debajo del capó.^[15]

Otra alternativa es equipar el vehículo con un solo limpiaparabrisas colocado en el centro, lo que le permite cubrir ambos lados del parabrisas a la vez. Esta solución reduce la resistencia al aire, al disminuir el área frontal de la hoja. Si bien dicha solución puede ser útil para las carreras, en la mayoría de los vehículos de carretera se obtendría una mejora mínima en la reducción general de la resistencia.

Fabricación

La etapa de diseño de un vehículo permite optimizar de forma más eficiente su configuración aerodinámica, sin necesidad de acudir a accesorios de terceros fabricantes. La mayoría de los automóviles con coeficiente de resistencia muy bajo, como los coches de carreras y los prototipos de alta eficiencia, aplican estas ideas a sus diseños.^[16]

Tapacubos

Cuando el aire fluye alrededor de los huecos de las ruedas, es perturbado por las llantas de los vehículos y forma un área de turbulencia alrededor de la rueda. Para que el aire fluya más suavemente, a menudo se usan tapacubos envolventes con formas suaves, utilizándose incluso diseños sin ningún agujero para evitar que el paso del aire forme turbulencias. Este diseño reduce la resistencia, pero puede hacer que los frenos se calienten más rápidamente porque los tapacubos cerrados impiden que el flujo de aire disipe el calor generado en las frenadas. En consecuencia, esta modificación se ve más comúnmente en vehículos de alta eficiencia que en deportivos o coches de carreras.^[17]

Cortinas de aire

Las cortinas desvían el flujo de aire a través de una serie de ranuras practicadas en la carrocería y lo guían hacia el interior de los pasos de rueda.^[18]^[19]^[20]

Bloqueo parcial de la rejilla del radiador

La calandra es la rejilla frontal que permite dirigir el aire a través del radiador. En un diseño aerodinámico, el aire debe fluir alrededor del vehículo en lugar de a través de él, pero la calandra redirige el flujo de aire perimetral a través del vehículo, lo que aumenta su resistencia aerodinámica. Para reducir este efecto, a menudo se utiliza un sistema de bloqueo parcial de la rejilla, que consiste en una serie de lamas orientables que permiten cubrir total o parcialmente los huecos de la parrilla delantera de un vehículo. En la mayoría de los modelos de alta eficiencia o en vehículos con bajo coeficiente de resistencia, se suele incorporar una rejilla muy pequeña, eliminando la necesidad de bloquearla. Pero en la mayoría de los vehículos de serie generalmente está diseñada para maximizar el flujo de aire a través del radiador, desde donde fluye al compartimiento del motor. Este diseño en realidad puede crear un flujo de aire excesivo, evitando que el motor alcance una temperatura de funcionamiento adecuada. En tales casos, se utiliza el bloqueo de la rejilla para aumentar el rendimiento del motor y reducir la resistencia al viento del vehículo simultáneamente.^[21]

Bandeja inferior

La parte inferior de un vehículo a menudo atrapa aire en varios lugares y genera turbulencias. En la mayoría de los coches de carreras, este problema se evita cubriendo toda la parte inferior del vehículo en lo que se llama una bandeja inferior, que al evitar que el aire quede atrapado debajo del vehículo, reduce la resistencia al avance.^[17]

Guardabarros carenados

Los guardabarros carenados a menudo se fabrican como extensiones de los paneles de la carrocería, y cubren todo el espacio exterior de las ruedas. Al igual que los tapacubos lisos, esta modificación reduce la resistencia del vehículo al evitar que el aire quede atrapado en el paso de rueda, y contribuye a optimizar la eficiencia aerodinámica carrocería. Son más habituales en las ruedas traseras, donde los neumáticos no giran y el diseño es mucho más simple (como por ejemplo, en el Honda Insight de primera generación). En el caso de las ruedas delanteras, tienen el mismo efecto que los faldones de las ruedas traseras, pero deben estar más desplazados de la carrocería para compensar que el neumático sobresalga de la carrocería cuando se circula en curva.^[17]

Parachoques delantero

El parachoques delantero es la primera parte del vehículo por la que debe circular el aire. Por lo tanto, juega un papel crucial en la reducción de la resistencia. A menudo, se dispone como una barrera para limitar el paso del aire por debajo del vehículo, que se extiende desde la parte inferior de la calandra hacia abajo, en todo el ancho del vehículo. Es habitual que las incisiones de las cortinas de aire queden integradas en la forma del parachoques delantero.

Cola de barco y perfil Kamm

Un diseño en cola de barco puede reducir considerablemente la resistencia total a la resistencia de un vehículo. Consiste en la adopción de un perfil similar a la forma de una lágrima, lo que permite reducir la aparición de la separación de flujo, un fenómeno que incrementa considerablemente la resistencia al avance del vehículo.^[22] Un perfil Kamm es básicamente un diseño en cola de barco truncado. Permite disponer de una parte trasera del vehículo con cierta anchura, introduciendo un plano con un ligero ángulo hacia el parachoques trasero. Aunque no es tan eficaz como un diseño de cola de barco (acabado en punta), por razones prácticas y de estilo, el perfil Kamm se ha hecho bastante frecuente en turismos, vehículos de alta eficiencia e incluso en camiones.^[23]

Coeficientes de resistencia típicos

El automóvil moderno promedio alcanza un coeficiente de resistencia de entre 0,25 y 0,3. Los utilitarios deportivos, con sus formas típicamente más cuadradas, suelen tener un C_x de entre 0,35 y 0,45. El coeficiente de resistencia de un vehículo depende fundamentalmente de la forma de su carrocería, pero también se ve afectado por otras circunstancias que se mencionan en muchos de estos ejemplos. Algunos autos deportivos tienen un coeficiente de resistencia sorprendentemente alto (como el Ariel Atom, con un valor de 0,40), pero esto es debido a la necesidad de compensar el elevado efecto de sustentación que generan determinados vehículos.

A continuación se muestran algunos ejemplos de C_x. Las cifras proporcionadas son generalmente para el modelo básico de cada tipo de automóvil, que puede no estar disponible en algunos mercados. Algunos modelos de alto rendimiento pueden tener mayor resistencia debido a utilizar neumáticos más anchos, o al uso de deflectores adicionales y sistemas de enfriamiento más grandes, ya que muchos modelos básicos (generalmente, de menor potencia) tienen radiadores de menor tamaño, lo que implica un menor flujo de aire de refrigeración a través del motor, y por lo tanto, un menor coeficiente de resistencia.

El C_x de un vehículo determinado variará según el túnel de viento en el que se mida. Se han documentado variaciones de hasta un 5%^[24] y las variaciones en la técnica de prueba y el análisis también pueden significar ciertas diferencias. Entonces, si el mismo vehículo con un coeficiente de resistencia de 0,30 se midió en un túnel diferente, se estima que podría variar desde C_x=0,285 hasta C_x=0,315.

Área de resistencia

Si bien los diseñadores prestan atención a la forma general del automóvil, también tienen en cuenta que reducir el área frontal ayuda a reducir la resistencia del aire. El producto del coeficiente de resistencia y el área - área de resistencia - se representa como C_x·A (o C_xA), el producto del valor de C_x por el área frontal.

El término "área de resistencia" procede de la aerodinámica, donde es el producto de un área de referencia (como el área de una sección transversal, el área de superficie total o similar) y el coeficiente de resistencia. En 2003, la revista Car and Driver adoptó este valor como una forma más intuitiva de comparar la eficiencia aerodinámica de varios automóviles.

La fuerza necesaria para superar la resistencia es: ${\tfrac {1}{2}}\times {\text{densidad del aire}}\times {\text{coeficiente de resistencia}}\times {\text{área de referencia}}\times {\text{velocidad}}^{2}$

Por lo tanto: ${\tfrac {1}{2}}\times {\text{densidad del aire}}\times \mathbf {\text{área de resistencia}} \times {\text{velocidad}}^{2}$

donde el coeficiente de resistencia y el área de referencia se han contraído en el término del área de resistencia. Esto permite una estimación directa de la fuerza de resistencia a una velocidad dada para cualquier vehículo para el que solo se conoce el área de resistencia y, por lo tanto, una comparación más fácil.

Como el área de resistencia C_x·A es el valor fundamental que determina la potencia requerida para una velocidad de crucero dada, es un parámetro crítico para el consumo de combustible a una velocidad constante. Esta relación también permite obtener una estimación de la nueva velocidad máxima de un automóvil con un motor de mayor potencia,

{\text{velocidad máxima estimada}}={\text{velocidad máxima original}}\times {\sqrt[{3}]{\frac {\text{nueva potencia}}{\text{potencia original}}}}

o la potencia requerida para una velocidad máxima objetivo,

{\text{potencia necesaria}}={\text{potencia original}}\times \left({\frac {\text{velocidad objetivo}}{\text{velocidad original}}}\right)^{3}

Los automóviles de pasajeros de tamaño completo promedio tienen un área de resistencia de aproximadamente 8 ft² (0,7 m²). Las áreas de resistencia declaradas van desde los 5,1 ft² (0,5 m²) para el Honda Insight de 1999, hasta los 26,5 ft² (2,5 m²) del Hummer H2 de 2003. El área de resistencia de una bicicleta (incluido el ciclista) también está en el rango de 6,5-7,5 ft² (0,6-0,7 m²).^[234]