Cómo influyen las leyes físicas en el movimiento de los vehículos
Nociones de la física del movimiento de los vehículos. Fuerzas y resistencias
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:
- 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.
Resistencia aerodinámica
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
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.
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. A medida que 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:
- 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.
- 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.
- 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.
Conclusion
En resumen, las leyes físicas son la columna vertebral del movimiento de los vehículos. Comprender cómo estas leyes afectan a los automóviles y otros medios de transporte es fundamental para garantizar la seguridad en las carreteras y para mejorar la eficiencia de nuestros vehículos. Como profesor de educación y seguridad vial, transmitir este conocimiento a tus alumnos es esencial para formar conductores responsables y conscientes de las leyes que rigen el movimiento vehicular.
Nociones de la física del movimiento de los vehículos
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