Cómo influyen las leyes físicas en el movimiento de los vehículos

Descubra cómo las leyes de la Física clásica afectan el movimiento de los vehículos con nuestros consejos sobre las nociones de la física del movimiento de los vehículos. Fuerzas, resistencias y principios físicos esenciales!

Entérate de los principios físicos que rigen el movimiento de los vehículos, explora cómo la física del movimiento de los vehículos afecta el desplazamiento con nociones de la física del movimiento de los vehículos.

El movimiento de un vehículo no es simplemente el resultado de girar la llave de encendido y pisar el acelerador. Está enraizado en las leyes físicas que rigen el universo. En este artículo, exploraremos cómo estas leyes influyen en el movimiento de los vehículos y cómo este conocimiento es esencial para la seguridad vial.

Cuando nos subimos a un vehículo, ya sea un automóvil, una bicicleta o incluso una patinete, estamos participando en un acto que implica una interacción compleja con las leyes físicas. Desde el movimiento rectilíneo uniforme hasta las fuerzas de fricción, cada aspecto del desplazamiento vehicular se encuentra arraigado en principios físicos fundamentales.

Fuerzas y resistencias aplicadas al movimiento de los vehículos

Dentro de las leyes de la Física clásica,  podemos  estudiar la física del movimiento de los vehículos. Se formulan entonces dos supuestos que adquieren gran relevancia si tratamos de estudiar el movimiento de un vehículo:

1. 1. Cualquier cuerpo que deba moverse de forma continua y uniforme deberá recibir una fuerza impulsora que iguale y anule las fuerzas que se opongan al movimiento.
   2. Para que un cuerpo experimente una variación de su velocidad, lo que se denomina aceleración, dicho cuerpo debe sufrir una fuerza neta que aumentará su cantidad de movimiento si esta es positiva; si la fuerza es negativa, es decir, opuesta al movimiento, la cantidad de movimiento del cuerpo disminuirá pues estará sometido a una deceleración, como es el caso de una frenada de un vehículo.

En el caso de un vehículo, disponemos de la fuerza impulsora que proporciona su motor (independientemente del tipo, combustible empleado, etc.). Esta fuerza es necesaria para vencer una serie de fuerzas que se oponen a su avance. Estas fuerzas son tres básicamente:

• • Resistencia aerodinámica
  • La Resistencia a la rodadura
  • Resistencia de pendiente
  • Las fuerzas en curva: centrífuga y centrípeta
  • Otras leyes aplicables

1- La resistencia aerodinámica

La resistencia aerodinámica es una fuerza opuesta al movimiento que sufre cualquier objeto (como un coche) que se desplace a través del aire.

La resistencia aerodinámica de un vehículo la provoca la necesidad de apartar de delante y reposicionar detrás del coche el gran volumen de aire que estamos atravesando. Cuando un coche avanza se produce una importante diferencia de presión entre la parte frontal del coche, donde chocamos contra el aire, y la parte posterior del coche, donde se crea un efecto de succión tanto más fuerte cuanto más rápido vamos.

Físicamente podemos definir la resistencia aerodinámica mediante la siguiente ecuación:

R= = ½ d S C_x v²

Intervienen 4 parámetros: d= densidad del aire. S= superficie frontal C= Coeficiente de resistencia aerodinámica V= Velocidad (medida con respecto al aire, no al suelo)

• La densidad del aire (d). Es un parámetro más o menos constante que no podemos controlar
• Superficie frontal (S). Es el área que ocupa el coche visto frontalmente. A mayor superficie, mayor resistencia al avance ya que el vehículo debe mover más aire. En ella hay que tener en cuenta todo lo que se enfrenta directamente al aire: frontal, parabrisas, espejos, la porción de neumáticos que sale por debajo de la carrocería… si añadimos una baca o un cofre en el techo estaremos aumentando la superficie frontal.
• El coeficiente de resistencia aerodinámico (C). Representa el arrastre del vehículo frente al viento en comparación con el arrastre de un objeto teórico capaz de detener el aire en su frente. El coeficiente CD se obtiene en el túnel de viento con prototipos a escala o vehículos a escala real. En Europa son comunes las escalas 1/4 o 1/5 para vehículos convencionales, mientras que para vehículos comerciales se recomienda la escala 1 /2,5.

Nociones de la física del movimiento de los vehículos

• Los factores que modifican este coeficiente son:

   

  • La forma exterior de la estructura tanto en la parte delantera y trasera, como en la superior e inferior.
  • La pendiente del parabrisas.
  • Tamaño y forma de los retrovisores exteriores.
  • La existencia de alerones, deflectores, etc. Que, si existen, conforman la forma exterior del vehículo.

   

Nociones de la física del movimiento de los vehículos

Un detalle curioso es que es más importante la parte posterior del coche que la parte frontal. El objetivo de la forma del vehículo es que el aire se aparte de delante y se ordene de nuevo en la parte posterior de la forma más rápida y fluida posible, en lo que se llama un “flujo laminar” de aire.

• • La velocidad (V). Dada la forma y tamaño de un coche, la resistencia aerodinámica se va incrementando no con la velocidad, sino con el cuadrado de la velocidad. Es lo que se llama un incremento exponencial, y en este caso significa que pequeños incrementos de velocidad dan lugar a grandes incrementos de la resistencia. La resistencia aerodinámica a baja velocidad es muy pequeña, pero cuando se alcanzan cifras muy altas es como si el aire se comportase como un fluido en lugar de un gas

2- Resistencia a la rodadura

Resistencia a la rodadura de un neumático

La resistencia a la rodadura se produce por el desplazamiento del vehículo. Se opone a la fuerza de empuje y su valor depende de la masa del vehículo, de la geometría de dirección, del tipo, perfil y presión de inflado de los neumáticos, de la velocidad de marcha, estado de la carretera y de la superficie de la misma.

Se calcula multiplicando el peso que recae sobre cada rueda por el coeficiente de resistencia a la rodadura que es un valor que depende del material y de los factores ambientales.

La resistencia será mayor cuanto mayor sea el trabajo de flexión de los neumáticos, el rozamiento del aire en la rueda y la fricción en el rodamiento de rueda.

En este VIDEO se puede ver cómo se genera esta fuerza

3- Resistencia de pendiente

La resistencia de una pendiente depende de dos factores:

• del perfil de la calzada
• y de la masa del vehículo.

Para vencer la resistencia ofrecida por la pendiente, es necesario que el vehículo disponga de una mayor fuerza de propulsión. Con esta fuerza del motor  se compensará la potencia de pendiente y se evitará un descenso de la velocidad. Esta resistencia puede minimizarse si:

• Se cambia de marcha lo menos posible durante la subida
• También al circular con brío en el motor dentro de los límites fijados.
• Además si se engrana oportunamente la relación de transmisión adecuada antes de comenzar la subida.

En casos de pendiente negativa (cuesta abajo) esta fuerza de pendiente o gravitatoria cambia de signo y deja de ser una fuerza de oposición al movimiento del vehículo para convertirse en un apoyo al esfuerzo motor del móvil.

Las fuerzas en curvas: centrífuga y centrípeta

¿Alguna vez te has preguntado por qué no te sales de la carretera cuando tomas una curva con tu coche? La respuesta tiene que ver con las fuerzas centrífuga y centrípeta, que actúan sobre el vehículo y el conductor en diferentes direcciones.

La fuerza centrífuga es la que tiende a alejar al vehículo de la trayectoria curva, es decir, a hacerlo salir de la carretera. Esta fuerza depende de la masa del vehículo, de la velocidad a la que circula y del radio de la curva. Cuanto mayor sea la masa, la velocidad o el radio, mayor será la fuerza centrífuga.

La fuerza centrípeta es la que contrarresta a la fuerza centrífuga y mantiene al vehículo en la trayectoria curva. Esta fuerza depende de la fricción entre las ruedas y el pavimento, que evita que el vehículo resbale o derrape. Cuanto mayor sea la fricción, mayor será la fuerza centrípeta.

En conclusión, para tomar una curva con seguridad, hay que ajustar la velocidad del vehículo de tal forma que la fuerza centrípeta sea igual o mayor que la fuerza centrífuga. De lo contrario, el vehículo podría salirse de la carretera o volcar. También hay que tener en cuenta las condiciones del pavimento, que pueden afectar a la fricción y, por tanto, a la fuerza centrípeta. Por ejemplo, si el pavimento está mojado o helado, la fricción disminuye y hay que reducir más la velocidad para tomar una curva.

Otras leyes físicas que se aplican al movimiento de los vehículos

Primer Principio de la Termodinámica: La Ley de la Conservación de la Energía

Una de las leyes físicas más cruciales en el movimiento de vehículos es la Ley de la Conservación de la Energía, que establece que la energía no puede crearse ni destruirse, solo transformarse. En el contexto de un vehículo, esto significa que la energía que se invierte al mover el vehículo proviene de la energía almacenada en el combustible o la electricidad. Cuando el vehículo se mueve, esta energía se transforma en movimiento.

Segundo Principio de la Termodinámica: La Ley de la Entropía

El Segundo Principio de la Termodinámica, la Ley de la Entropía, se relaciona con la eficiencia de los motores y la generación de calor. En los motores de combustión interna, la conversión de energía química en energía mecánica no es perfecta y produce calor como resultado. Comprender esta ley es esencial para mejorar la eficiencia de los vehículos y reducir el impacto ambiental.

Tercer Principio de la Termodinámica: La Temperatura Absoluta y la Refrigeración

En climas cálidos, la temperatura puede influir significativamente en el rendimiento de un vehículo. Aquí, el Tercer Principio de la Termodinámica, que se refiere a la temperatura absoluta, entra en juego. La refrigeración del motor se convierte en una necesidad para evitar el sobrecalentamiento y el daño al vehículo. Explicar este principio puede ayudar a los conductores a comprender la importancia de mantener sus sistemas de refrigeración en buen estado.

Leyes del Movimiento de Newton

Las tres leyes del movimiento de Newton son fundamentales para entender cómo un vehículo acelera, frena y se mantiene en movimiento. De manera didáctica, podrías explicarlas de la siguiente manera:

1. Primera Ley de Newton (Ley de la Inercia): Un vehículo en movimiento tiende a permanecer en movimiento, mientras que un vehículo en reposo tiende a permanecer en reposo, a menos que una fuerza externa actúe sobre él.
2. Segunda Ley de Newton (Ley de Fuerza y Aceleración): La aceleración de un vehículo es directamente proporcional a la fuerza aplicada y inversamente proporcional a su masa. Esto explica por qué necesitamos aplicar fuerza para acelerar o frenar un vehículo.
3. Tercera Ley de Newton (Ley de Acción y Reacción): Cada acción tiene una reacción igual y opuesta. Por ejemplo, cuando un vehículo se mueve hacia adelante, empuja hacia atrás en la carretera, lo que le permite avanzar.

Dinámica de fluidos

El diseño aerodinámico de un coche no solo mejora su estética, sino también su rendimiento. La dinámica de fluidos permite que el vehículo “corte” el aire con mayor facilidad, lo que se traduce en mejor eficiencia de combustible y velocidad.

La mecánica de fluidos aplicada al sistema de refrigeración del motor es esencial para mantener la eficiencia y prevenir el sobrecalentamiento. Un sistema de refrigeración eficaz disipa el calor generado por el motor, manteniendo las temperaturas operativas dentro de rangos seguros. Esto garantiza que el vehículo funcione de manera óptima, incluso bajo condiciones de uso intenso.

De igual manera, estas mismas leyes se pueden aplicar al sistema de refrigeración.

El principio de Pascal

El principio de Pascal se aplica en el sistema de frenos, permitiendo que una pequeña fuerza aplicada en el pedal se traduzca en una fuerza mucho mayor capaz de detener el vehículo. Esto es crucial para la seguridad y el control en la conducción.

La Ley de Hooke

La ley de Hooke es esencial en los sistemas de suspensión vehicular, proporcionando el equilibrio perfecto entre confort y estabilidad. Esta ley rige cómo los muelles se comprimen y expanden, absorbiendo así las irregularidades del camino.

Las Leyes de la termodinámica

La termodinámica es esencial para mejorar la eficiencia energética de los motores. Analizando los procesos de conversión de energía, los ingenieros pueden optimizar el rendimiento del motor, reduciendo el consumo de combustible y las emisiones contaminantes.