Nociones básicas de la física del movimiento de los vehículos
Nociones de la física del 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:
- 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.
- 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
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 Cx v2
Como vemos, 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.
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.
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.
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- 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
Nociones de la física del movimiento de los vehículos
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
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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.
