Abordamiento de la Aerodinámica en Vehículos con Carrocería

La aerodinámica en vehículos con carrocería ha sido un tema tratado por mucho tiempo por ingenieros y diseñadores durante muchos años. Como hemos visto anteriormente, a bajas velocidades, la fuerza de arrastre provocada por el aire no afecta en gran manera, ya que la única fuerza provocada es producto del choque de las partículas con el objeto, sin embargo, cuando la velocidad es mayor, el problema crece en gran medida debido a la estela que genera el vehiculo en la capa de aire.
Este problema afecta mucho a las motos y autos (entre otros) debido a la gran velocidad con que se mueven, generando una estela de grandes proporciones. Es así, como los ingenieros de cada marca trabajan para lograr el mayor aerodinamismo en sus motos y autos, intentando mediante experimentación e investigación, reducir la estela a lo mínimo.
Debido a que el problema en ambos casos es el mismo, la experimentación y la investigación es parecida, sin embargo, ya que las dimensiones y la estabilidad difieren, los resultados también deben diferir un poco.
El estudio y la investigación de la aerodinámica de un móvil no es menor, sin embargo, la dificultad en la experimentación a provocado históricamente muchos problemas. Por lo general, para la experimentación en cada una de las áreas de la ciencia se utilizan modelos a escala. En el caso de un fluido, se a probado que el tamaño y la fuerza de la estela es proporcional al tamaño del cuerpo, por lo tanto, si utilizamos modelos a escala, los resultados no serán los mismos. Entonces, si se quiere experimentar por ejemplo, con una moto en una escala de 0.2 a 1, a una velocidad de 150 km/hr, entonces el viento debe escurrir a una velocidad de 750 km/hr para generar los mismos resultados. Como vemos, la velocidad es tremendamente grande, y en un laboratorio de experimentación, los costos y la energía que se requiere para obtener dichas velocidades son demasiado altos, por lo que la experimentación se hace difícil.
En el caso de la motocicleta, uno de los primeros ajustes que se le hizo a la moto de competencia fue una especia de caparazón que generara unas líneas de flujo mas regular debido a la gran cantidad de deformidades que presentaba el modelo antiguo, lo que generaba turbulencias. Este era un gran peso de mas, sin embargo, redujo considerablemente la fuerza de arrastre provocada sobre el vehiculo.

En la siguiente tabla podemos ver los resultados que arrojo la aplicacion del caparazón:

Así, pese a que aumento el peso de la carrocería, disminuyo el gasto de combustible en aproximadamente un 20%.
La aceleración presento un aumento del 15% aproximadamente.
Por ultimo, la velocidad máxima aumentó un 10% aproximadamente.
Como vemos, la aerodinámica aumentó considerablemente debido a la disminución de la estela provocada por la separación de las capas de aire.
De manera de disminuir la estela y con esto, la fuerza de arrastre, se ha experimentado con diferentes tipos de formas. Se llego a la conclusión de que una carrocería larga y angosta seria lo ideal, sin embargo, una carrocería larga no podía ser empleada en competencia, debido a la mala maniobrabilidad que presentaría. Solo podía ser ocupada para establecer record de velocidad. Un personaje de nombre Kamm fue el primero en utilizar un corte de una cola muy larga, la cual se llamo cola de Kamm, la que presento un muy bajo efecto de estela y fuerza de arrastre.

En la imagen de arriba podemos ver como se comporta el flujo para diferentes superficies. En al imagen de abajo, podemos ver la moto que tiene el record actual de velocidad. Como vemos, es muy larga.

Claramente, hasta ahora no hemos considerado la aerodinámica del piloto, la cual no puede ser despreciada considerando que las dimensiones de una moto no son mucho mayores que las de la persona. La manera en que se aborda el conjunto piloto-moto en el estudio de su aerodinámica intenta considerarlos lo mas parecido a un solo cuerpo, siempre buscando la continuidad de un cuerpo con respecto al otro, de manera de minimizar las deformaciones en la superficie, sin dejar de lado la maniobrabilidad del piloto. Es así, como las motos fabricadas para grandes velocidades presentan asientos inclinados hacia delante, de manera que el piloto pueda ir semi acostado sobre el vehiculo, disminuyendo la superficie libre. También, el piloto utiliza un traje apegado a la piel, de manera que no se produzcan pliegues con el aire y un casco aerodinámico, que no genere turbulencias.
En el estudio de la aerodinámica de un móvil como la moto también se debe considerar la fuerza de levantamiento o fuerza de sustentación que genera el aire a gran velocidad. Esta fuerza puede ser muy peligrosa ya que genera un torque sobre la rueda trasera de la moto, inclinándola hacia atrás. Con esta fuerza, la moto pierde tracción sobre la rueda delantera, expidiendo el manejo adecuado de la dirección. Para contrarrestar esta fuerza, se ideo un sistema parecido al ocupado en los autos, conocido como alerón, el que utilizando la fuerza de arrastre del aire, empuja el vehiculo hacia abajo, permitiendo una mayor tracción en las ruedas. Esto también presentaba un problema, ya que a diferencia de los autos, las motos necesitan inclinarse mucho al doblar, entonces, al inclinarse, la fuerza ya no era hacia abajo, sino, en diagonal hacia un costado, generando una componente horizontal hacia fuera y otra vertical hacia abajo. Este problema lo solucionaron aplicando un alerón inclinable, el cual siempre se mantiene horizontal haciendo que la fuerza sea siempre vertical hacia abajo. Esto se puede apreciar de mejor manera en la siguiente figura:


Para el estudio de la aerodinámica de un automóvil debemos considerar principalmente dos fenómenos. Al igual que en la moto, la fuerza de arrastre debe ser muy estudiada, sin embargo, en el caso del auto, toma gran importancia la fuerza de sustentación, la que también esta presente en la moto, pero no con la relevancia del auto.
Ya que las fuerzas que actúan en un auto y en una moto son las mismas, las soluciones y las aerodinámicas se basan en las mismas teorías. Es por eso que la forma de un auto cumple con los mismos principios que los de una moto. Para el caso del auto, lo que se busca en su aerodinámica es producir el menor efecto de separación, disminuyendo la fuerza de arrastre, y también equilibrar la fuerza de sustentación en el caso de autos creados para enfrentar grandes velocidades.
Considerando las teorías antes vistas, la aerodinámica de un auto depende, entre otros factores, de su alto y de su largo. El mismo auto alto y corto es menos aerodinámico que ese auto pero más bajo y largo. Ya que los autos muy largos pueden ser incómodos y poco eficientes debido al peso y a la maniobrabilidad, se prefiere por lo general el modelo de Kamm, por lo que los autos comunes están cortados en su cola.

En la imagen se puede ver el modelo Audi A2 2001, el cual es el auto de calle más aerodinámico del mundo que salió hasta el 2001.
Ya que el auto genera una alta fuerza de sustentación, a este se le han aplicado diversos dispositivos que generan sustentación negativa, es decir, una fuerza hacia abajo que les permite mantenerse pegados al suelo sin perder estabilidad ni capacidad de frenado. Por ejemplo, en la formula 1 se utilizan alerones de grandes dimensiones para generar una fuerza de sustentación negativa suficiente para mantener la estabilidad y así poder tomar una curva a mayor velocidad.

Otro aspecto tratado en la formula uno es la estela y la turbulencia que genera el casco del piloto además de la incomodidad y la fuerza que debe resistir, lo que puede causar desconcentración y provocar un accidente. Es por ello que han diseñado una toma de aire sobre la cabeza, la cual agarra el aire turbulento y lo limpia, evitando estelas.

Para el caso del casco, y con la idea de evitar también la fuerza de sustentación, se le han diseñado alas y alerones, al igual que al vehiculo para evitar accidentes y mantener cómodo al piloto.