La aerodinámica es el estudio, dentro de la mecánica de fluidos, del movimiento del aire y otros gases, y cómo estos interaccionan con los cuerpos en movimiento. Pero en el campo que nos ocupa, en el del automóvil, lo interesante es hablar de 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. Hoy os traemos una explicación y una fórmula fácil que os van a ayudar a entender mucho mejor cómo funciona exactamente esta fuerza, tantas veces nombrada y tan pocas veces comprendida. Si entiendes bien esta sencilla explicación, dentro de un rato tendrás más idea sobre resistencia aerodinámica que el 99,9% de la población mundial. Prometido.
Qué es la aerodinámica: explicación en vídeo
¿Qué es y qué provoca la resistencia aerodinámica?
Centrándonos ya en el caso concreto de un coche circulando por una carretera, la resistencia aerodinámica la provoca la necesidad 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.
La fórmula de la resistencia aerodinámica: entendiendo bien cómo funciona
Que nadie se asuste al ver la fórmula porque es muy fácil y está compuesta de 4 factores que se multiplican, nada más. Cada uno de estos factores es muy fácil de entender, como veremos a continuación, y en conjunto nos darán la cultura automovilística imprescindible para poder discutir con quien se ponga delante sobre aerodinámica, o al menos no decir barbaridades, que no es poco.
Resistencia aerodinámica (R) = ½ d S Cx v2
* d = Densidad del aire
* S = Superficie frontal
* Cx = Coeficiente de resistencia aerodinámica
* v2 = Velocidad elevada al cuadrado (medida con respecto al aire, no al suelo)
Teniendo en cuenta que la densidad del aire (d, que se mide en kg/m3) es más o menos constante y no la podemos controlar, sólo tenemos que entender bien los últimos tres términos de la ecuación y seremos unos auténticos cracks en resistencia aerodinámica.
La superficie frontal
La superficie frontal (S) es el área que ocupa el coche visto frontalmente y se mide en m2. Así pues, podemos entender que un coche alto y ancho, con grandes retrovisores y neumáticos va a ofrecer más resistencia que un coche bajo, estrecho, con retrovisores pequeños y neumáticos finos. Doble superficie frontal implica doble resistencia (a igualdad del resto de factores) por eso un SUV consume más y corre menos que un compacto, aunque lleven el mismo motor, aunque tengan una forma parecida y aunque pudieran pesar lo mismo: el SUV tiene que mover más aire para pasar a través del aire.
La superficie frontal es el tamaño del frente de aire que se tendrá que mover para que el coche pase. Cuanto menos, mejor. La superficie frontal de un coche suele estar entre los 2 m2 y los 2,5 m2 aproximadamente y 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 (y también su coeficiente de resistencia aerodinámica, que veremos a continuación).
Un detalle interesante es que ese plano de sección máxima (el plano por el que podríamos cortar la «rodaja» más grande del coche) es también el plano a partir del cual el flujo de aire comienza a separarse de la carrocería y disminuye la presión. Ese plano sería la frontera entre el aire que frena el coche «empujando desde delante» y el aire que frena el coche «tirando desde atrás».
Coeficiente de resistencia aerodinámica Cx
El coeficiente Cx es adimensional, no tiene unidades, y 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 (algo así como una pared) cuyo coeficiente sería = 1. Un valor teórico Cx = 0 representaría la ausencia total de resistencia y entre esos dos extremos están todos los coches (que no lleven un paracaídas abierto detrás).
El coeficiente de resistencia aerodinámica Cx lleva la «x» porque también existen Cy y Cz, que serían los coeficientes de resistencia aerodinámica lateral y vertical, pero en este caso nos va a interesar el coeficiente en la dirección del eje X, que es la dirección del movimiento del coche, su eje longitudinal.
Aplicando la idea de coeficiente aerodinámico a los coches reales, la forma de «caja», que es lo más eficiente en términos de espacio interior, sería lo más ineficiente en resistencia aerodinámica.
Así pues, los diseñadores tiene que llegar a una relación de compromiso entre ambos factores, cuánto quieren que quepa dentro de un coche vs. cuánta resistencia están dispuestos a asumir. Por eso las furgonetas y camiones se parecen más a cajas (priorizan el espacio, no van muy rápido) y los coches deportivos son muy bajos y afilados (priorizan la aerodinámica, además de un centro de gravedad más bajo) aunque no quepan muchas cosas dentro.
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.
En el flujo laminar diferentes capas o «láminas» de aire alrededor del coche adquieren diferentes velocidades mientras lo rodean. Las capas más próximas a la superficie del coche son más «arrastradas» por el coche que las más alejadas, igual que en el cauce de un río el agua que baja pegada a las orillas baja más despacio que en el canal central. Si el flujo laminar se mantiene y el aire resbala ordenadamente el coche ofrece poca resistencia.
Si la ordenación del aire en láminas se rompe y esas capas se mezclan, pasaríamos de flujo laminar a «flujo turbulento» y en vez de reinar el orden pasaría a reinar el caos, normalmente en la parte posterior del coche. Las turbulencias son el peor enemigo de una correcta aerodinámica, por eso los coches se estrechan y los techos se bajan hacia el final del coche, para facilitar ese flujo laminar ordenado y rellenar rápidamente de aire el espacio que va dejando el coche tras de sí.
Esta es la razón por la que la cota de altura en las plazas delanteras siempre es holgada (coincide aproximadamente en el plano de máxima superficie frontal y máxima altura) pero en las plazas traseras no es difícil tocar el techo con la cabeza, sobre todo en modelos deportivos. No es porque detrás viajen niños ni nada parecido, es porque a la altura de las plazas traseras el coche ya se está haciendo lo más bajo posible para enviar el aire fácilmente a su parte posterior.
La velocidad al cuadrado: la verdadera clave de todo
El último factor de la fórmula es v2, la velocidad con respecto al aire elevada al cuadrado. 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.
Una forma de entender esto es que al doble de velocidad se producen dos efectos: el aire golpea con el doble de fuerza en el frontal y además lo hace con el doble de masa por unidad de tiempo. Ambos efectos se acumulan, por eso la v2.
Este incremento exponencial explica por qué tu coche consume mucho más circulando a 120 km/h que circulando a 100 km/h. El incremento de velocidad es de un 20%, pero la resistencia aerodinámica aumenta un 44% (y la potencia necesaria 73%, como veremos más abajo en detalle). A partir de una cierta velocidad, cada pequeño incremento adicional es carísimo en resistencia a vencer, en potencia a aplicar y por tanto en consumo. No conviene olvidarlo.
La relación entre resistencia aerodinámica, velocidad y potencia
Llegamos a la parte para mí más interesante de todas y la que más nos hará entender de coches y de física aplicada a coches: la relación que existe entre la resistencia aerodinámica y la potencia necesaria para ir más y más rápido. Esta relación no es lo que parece a simple vista, como vamos a ver a continuación.
En contra de lo que nos podría indicar la intuición, que siempre tiende a ver un mundo «lineal», la potencia necesaria para vencer la resistencia aerodinámica es proporcional al cubo de la velocidad (v3). La razón es que si duplicamos la velocidad, la resistencia se multiplica x4 (apartado anterior) y esa fuerza de resistencia se aplica durante el doble de distancia por cada unidad de tiempo: ¡velocidad x2 implica potencia x8!. Si no has comprendido este razonamiento no importa, echa un vistazo a la fórmula:
Potencia = R v = ½ d S Cx v3
Es la misma fórmula de la resistencia aerodinámica, multiplicada la velocidad. La unidad de potencia de la fórmula serían Watios, si se toman unidades del Sistema Internacional: densidad del aire en kg/m3, supreficie frontal en m2 y velocidad en m/s.
Vamos a poner un ejemplo concreto de la potencia necesaria para llevar un coche real hasta ciertas velocidades teniendo en cuenta únicamente la resistencia aerodinámica. Estamos despreciando la potencia adicional necesaria para vencer la resistencia a la rodadura, los rozamientos internos de la cadena cinemática, para alimentar de energía cualquier otro sistema del coche y para refrigerar el propio motor, y ésta última es muy importante para motores de alta potencia a pleno rendimiento ( 1 ).
Ejemplo: Porsche 911 (992) Carrera S (2019)
d = 1,225 kg/m3 (densidad del aire)
S = 2,07 m2 (superficie frontal)
Cx = 0,29 (coeficiente de resistencia aerodinámica)
| Velocidad | Resistencia (N) | Potencia necesaria (CV) |
|---|---|---|
| 50 km/h | 71 N (7 kg) | 1,4 CV |
| 100 km/h | 284 N (29 kg) | 11 CV |
| 200 km/h | 1.135 N (115 kg) | 86 CV |
| 300 km/h | 2.553 N (260 kg) | 290 CV |
| 400 km/h | 4.539 N (463 kg) | 685 CV |
Las potencias señaladas en la tabla son las necesarias para mover únicamente el aire necesario para que nuestro Porsche 911 Carrera S circule a cada velocidad. Sólo el aire. La resistencia aerodinámica es muy pequeña a bajas velocidades pero al sufrir un incremento exponencial, rápidamente se hace muy importante.
Para interpretar la columna de resistencia aerodinámica, que es una fuerza y se mide en Newtons, podemos hacer una «traducción» a una unidad más conocida que nos permita entenderla mejor. Tomando como referencia la resistencia a 200 km/h (1.135 N) esa fuerza es equivalente al peso de un objeto de 115 kg ( 2 ), esa es la fuerza que estaría tirando hacia atrás del coche. A 300 km/h hablamos de una fuerza (2.553 N) equivalente al peso de 260 kg y a 400 km/h (4.539 N) equivale al peso de 463 kg… un buen freno.
Este incremento cúbico de la potencia necesaria en relación a la velocidad explica también por qué la última marcha del cambio siempre nos parece demasiado corta, siempre da la sensación de que si pudieses meter una marcha más el coche correría más. Esa sensación es falsa y lo más normal es que el coche no pudiese mover ese desarrollo adicional.
También se explica así que podamos alcanzar los 200 km/h con un coche de 120 CV y sin embargo para alcanzar los 400 km/h hagan falta más de 1.000 CV (que se lo pregunten a Bugatti) aunque la velocidad sólo se está duplicando.
La fuerza de sustentación y la carga aerodinámica
El efecto del aire sobre un coche no es únicamente de oposición al avance. El aire que pasa por debajo del coche lo hace en línea recta, a través de un canal estrecho limitado entre el fondo del coche y el asfalto, mientras el aire que pasa por encima del coche se mueve libremente y recorre un camino mucho más largo. Esta asimetría arriba-abajo produce una diferencia de presiones: bajo el coche hay alta presión y sobre el coche hay una presión menor, generando una fuerza de sustentación como la que utilizan los aviones para volar.
Esto significa que los coches tienden a levantarse del suelo, tanto más cuanto más rápido circulan. Este efecto, llamado por el término inglés «lift», es muy pequeño en comparación con el peso del coche (por eso los coches no vuelan) pero sí puede afectar al comportamiento del coche a alta velocidad.
Para neutralizar este efecto, podemos dotar al coche de diferentes elementos que introduzcan carga aerodinámica, una fuerza de sustentación negativa que empuja el coche hacia abajo para compensar su tendencia a elevarse. El elemento más habitual y más fácil de entender sería un alerón en la parte posterior del coche, que es básicamente un ala invertida que empuja hacia abajo al contacto con el aire en movimiento.
Otra forma de atenuar esta fuerza de sustentación es pegar el coche al suelo lo máximo posible, para que la lámina de aire que circula por debajo sea mínima. Esto es muy visible en coches que compiten en circuito, donde el asfalto es prácticamente perfecto y pueden bajarse hasta el límite, pero también es la razón por la que algunos coches con suspensión activa se bajan unos milímetros a alta velocidad. Esta reducción de la altura también contribuye a reducir la superficie frontal porque deja expuesta al viento una menor superficie de los neumáticos.
Para reducir la resistencia aerodinámica y atenuar la fuerza de sustentación, cada vez más coches llevan el fondo carenado. En la fotografía que encabeza esta sección vemos el fondo «plano» de un Audi Quattro A2 de 1984, en colores negro y crema, cuya apariencia nos haría pensar en un cuidado trabajo aerodinámico, cuando en realidad se trata de planchas protectoras para la gravilla, piedras e incluso rocas que iban impactando contra los bajos del coche en cada tramo, sin el más mínimo propósito de mejorar la aerodinámica.
En la última ilustración, vemos el fondo plano de un Audi e-tron de color azul en el que, efectivamente, el trabajo aerodinámico ha sido exhaustivo.
La carga aerodinámica puede ir mucho más allá de compensar la fuerza de sustentación, pegando el coche al suelo como si pesara mucho más pero sin incrementar su masa, lo que favorece mucho la velocidad de paso por curva. En coches de serie es poco habitual que la carga aerodinámica vaya más allá de unas decenas de kilos, pero un Fórmula 1, por ejemplo, puede generar mucha más carga aerodinámica que su propio peso y por eso se dice que, a partir de cierta velocidad, podrían circular invertidos por el techo de un túnel sin caerse.
Qué es la aerodinámica: explicación en vídeo
Aclaraciones
( 1 ) Un Bugatti Chiron, de aproximadamente 1.500 CV, cuando funciona a plena potencia está generando más de 3.000 CV de dispersión de calor (la eficiencia térmica de su motor a plena potencia apenas ronda el 30%). La mayor parte de ese calor sale por el sistema de escape pero aún así lleva un total de 10 radiadores y 49 litros de líquido refrigerante (37 litros en el circuito de alta temperatura y otros 12 litros en el circuito de baja temperatura) líquido que hay que bombear a un ritmo vertiginoso para que el motor no se funda. Esa refrigeración exige en sí misma muchísima potencia para funcionar.
( 2 ) El kilogramo es una unidad de masa, no de fuerza y es incorrecto hablar de peso en kg. El peso de un objeto se mide en Newtons (N), pero en la superficie de la tierra la equivalencia entre peso y masa es tan constante que ambos conceptos tienden a confundirse en el lenguaje coloquial. Una masa de 1 kg es atraída por la tierra con una fuerza (peso) de 9,81 N aproximadamente, a nivel del mar, y ese peso varía imperceptiblemente con la altitud.
