Trabajo sobre laaerodinmica de el automobil.

Carlos Gutirrez LambnAutomocin-2Acurso 2014-2015

La resistencia aerodinmica.

Origen de las fuerzas aerodinmicas.

El mito de la gota de agua.

Formas aerodinmicas, componentes y diseo.

Partes esenciales en componentes aerodinmicos.

Estudios aerodinmicos.

1-La resistencia aerodinmica .

Se denomina resistencia aerodinmica, o simplemente resistencia, al componente de la fuerza que sufre un cuerpo al moverse a travs del aire en la direccin de la velocidad relativa entre el aire y el cuerpo. La resistencia es siempre de sentido opuesto a dicha velocidad, por lo que habitualmente se dice de ella que es la fuerza que se opone al avance de un cuerpo a travs del aire. -La aerodinmica y su respectiva resistencia aerodinmica son uno de los condicionantes a la hora de disear y construir un vehculo . Debido a este fenmeno podemos observar diferencias aparentes sobre un mismo modelo de vehculo ,siempre en funcin de la velocidad , es decir ,cuanto mas aerodinmico es un vehculo ,mejor incide en el medio .

-Para darle nombre a estos factores y poder trabajar con ellos se les ha dado nombre .Los coeficientes aerodinmicos son nmeros a dimensionales que se utilizan para el estudio aeronutico o aerodinmico de las fuerzas y momentos que sufre un cuerpo cualquiera en movimiento en el seno del aire. Algunos de los coeficientes ms conocidos son :

-El coeficiente de sustentacin CL . -El coeficiente de resistencia CD. -El coeficiente de penetracin CX.

Ms concretamente los coeficientes aerodinmicos mas utilizados en automocin son :

El coeficiente de resistencia aerodinmica suele simbolizarse como CX, en vez de CD. Habitualmente se utiliza como superficie de referencia el rea frontal del vehculo.

El coeficiente de empuje lateral aerodinmico suele simbolizarse como CY, igual que en aeronutica. Habitualmente se utiliza como superficie de referencia el rea frontal del vehculo.

El coeficiente de sustentacin suele simbolizarse como CZ, en vez de CL. No obstante, tambin se utiliza su opuesto, el coeficiente de anti-sustentacin, que relaciona la fuerza de anti-sustentacin (componente en sentido descendente de la fuerza aerodinmica) y el producto de la presin dinmica del aire por el rea caracterstica. Habitualmente se utiliza como superficie de referencia el rea frontal del vehculo, aunque a veces tambin se utiliza el rea de la proyeccin en planta.

El coeficiente de arrastre , es una medida comn en el diseo de automviles pertenecientesalaaerodinmicaefectos.Como la resistencia aerodinmica aumenta con el cuadrado de la velocidad, un valor bajo es preferibleaunoalto.Conun 60% de la potencia necesaria paranavegara velocidades de carreteras e utilizan para superar los efectos aerodinmicos minimizartraducedirectamenteenunamejoradearrastrarlaeficienciadel combustible. Para la aerodinmica misma razn son una preocupacin creciente para camiones diseadores, donde la mayor rea de superficie presenta importantesahorrospotencialesencostosdecombustible.

Asimismo, para los coeficientes de momentos suele utilizarse la batalla del vehculo como longitud de referencia ( A saber : La batalla o empate es, en automocin, la distancia entre los dos ejes de un vehculo .La distancia entre ejes influye directamente en la estabilidad del vehculo, de modo que una batalla larga hace al vehculo, a priori, ms estable que una batalla corta ).

-Si denominamos por L,M y N los momentos de balance, picado y guiada que el aire ejerce sobre la aeronave, sus respectivos coeficientes de momentos son:

Coeficiente de momento de balanceo.

Coeficiente de momento de picado o de cabeceo.

Coeficiente de momento de guiada.

Origen de las fuerzas aerodinmicas:

Cuando en un proceso mecnico interaccionan dos slidos, las fuerzas se aplican y transmiten en el punto de contacto .Pero cuando un slido interacciona con el aire, en las molculas del aire prximas al mismo se produce una distorsin ,comenzando a moverse alrededor del slido .El aire cambia de forma ,fluyendo alrededor del slido y manteniendo un contacto fsico en todos sus puntos. Por ello ,el punto de contacto de las fuerzas aerodinmicas generadas son todos y cada uno de los puntos de la superficie del cuerpo. -La magnitud de dichas fuerzas va a depender tanto del aire como del slido, en nuestro caso el automvil .Dos son las propiedades fundamentales del aire a tener presentes: su viscosidad y su densidad o lo que es lo mismo ,su compresibilidad. -En el caso del automvil ha de considerarse su forma, su rugosidad superficial, el rea de contacto con el aire y sobre todo la velocidad relativa entre ste y el aire. -Todo esto se traduce en que, sobre cada punto de la superficie del automvil, estn presentes un par de fuerzas ,una fuerza de presin, normal a la superficie del cuerpo, debido a la velocidad relativa entre ambos y una fuerza de rozamiento ,tangente a la superficie del cuerpo ,debida a la viscosidad del aire.

El mito de la gota de agua:

-Existe en el imaginario popular la creencia de que las gotas de agua, tienen forma de gota, pero por ms extrao que parezca, esto no es as. De la misma forma que los corazones no tienen forma de corazn. De ms est decir que los lquidos por s mismos no tienen ninguna forma, y que se amoldan a la forma del envase que los contiene, sin embargo, cuando no existe ningn "envase", y prcticamente ninguna fuerza externa que les provea sostn, los lquidos toman una forma esfrica. No son muchas las situaciones en la vida cotidiana donde se dan estas cosas y podamos verlas, pero es muy visible en las imgenes de los astronautas en la Estacin Espacial Internacional. Esto sucede porque, microscpicamente, las molculas de agua estn todas atrayndose entre s, debido a que son polares. Las molculas que se encuentran en el medio se atraen hacia todos los lados casi por igual, sin embargo, las que se encuentran en la superficie, son atradas hacia adentro, lo cual forma la famosa Tensin Superficial, que acta como una especie de pelcula que envuelve al lquido y lo hace ocupar el menor espacio posible. En un vaso de agua, se aprecian los efectos de la tensin superficial, al colocar motas de polvo, o incluso un alfiler sobre ella (que normalmente se hundira al ser ms denso). Para evitar salir de la Tierra, podemos apreciar el agua tomando una forma esfrica cuando recin sale del grifo, donde se forman pequeas gotas de forma esfrica. A medida que la gota cae, comienza a aumentar su velocidad, y el comienza a ejercer una fuerza sobre ella hacia arriba. En su desesperada cada hacia el centro de nuestro planeta, la gota comienza a achatarse y deformarse irregularmente, donde se enfrentan las fuerzas del peso de la gota misma y la resistencia del aire. Y en un momento, la fuerza del aire achata demasiado a la gota, y la tensin superficial intenta re-acomodarse nuevamente para formar esferas ms estables, en un mgico momento donde la gota explota en miles de gotas de diferentes tamaos, tal como lo muestra el vdeo (1000 cuadros por segundo) de abajo, que fue publicado en Science. Todas esas gotas seguirn cayendo a diferentes velocidades, las ms grandes probablemente vuelvan a explotar, y las ms pequeas son lo suficientemente uniformes como para resistir la presin del viento, y van a caer en forma de una bola ligeramente achatada. El nico momento en que una gota parece una gota, es durante la fraccin de segundo en que la gota de agua se desprende del grifo, cuando entra en una desesperada carrera para adoptar una forma ms estable energticamente. Y en el camino puede formarse una gran gota, y desprenderse parte de la cola para formar gotas ms pequeas. A raz de este falso mito durante muchos aos los diseadores/marcas dieron formas peculiares a sus modelos , intentando emular dichas gotas de agua ,dejando en el pasado diseo de vehculos peculiares , en busca de la forma aerodinmica perfecta condicionada por una idea .

Formas aerodinmicas, componentes y diseo:

-En este punto trataremos las formas de los diferentes componentes ,formas/geomtricas y medidas con los que dotamos un vehculo para la lucha contra el aire/viento y su mejora . Las aportaciones estticas ,ahorro de energa ,aportacin de dicho componente a la mejora tanto esttica ,estabilidad y ahorro de consumo .Adems de un hincapi en las estticas del futuro . -Veremos para que sirve cada componente individualmente ,las mejoras que aporta a un vehculo tanto estticamente como aerodinmicamente y porque una mal uso de elementos aerodinmicos por parte de los usuarios pueden afectar al rendimiento del vehculo . Como viene siendo comn en este mbito aerodinmico al igual que en otros terrenos , como norma general ,los primeros en innovar en el diseo , concepcin y creacin de componentes aerodinmicos es en la alta competicin . ya sea por necesidad y por poder econmico . Mas tarde a nivel de calle ,la necesidad se rebaja mucho y el poder econmico gastado en forma aerodinmica esta en funcin del cliente ,de ah que en la gran mayora de los casos siempre de un mismo modelo de vehculo podemos encontrar gama ( tanto interior ,como exterior ) . Factor que condiciona la aportacin de componentes aerodinmicos a un vehculo, la seguridad , activa , pasiva y sobre todo en caso de accidente/atropello ,de ah que las aportaciones aerodinmicas aplicadas en los coches de calle se reducen a unas pequeas diferencias/aportaciones en la carrocera ,nada tan bestia como en la competicin .De ah la normativa sobre medidas que consta sobre los vehculos ( la altura ,anchura y longitudinal ) .Estas medidas ya vienen dadas de fabrica . En este punto trataremos el porque podemos pasar de una esttica a otra bastante diferenciada dentro de un mismo modelo del mismo . -Este punto es relativo ya que el gasto en componentes aerodinmicos va relacionado proporcionalmente con otros factores ya sea motorizacin ,acabados ,interior ,etc Intentaremos comprobar si excluyendo la parte de poner bonito un coche para venderlo (prestigio de una marca/modelo) vende mas que si un modelo inferior lo proveeramos de la misma tecnologa . Compararemos las mejoras de un vehculo frente al mismo de categora inferior y como afectara a las ventas tal tecnologa de gama superior ,aplicada en gamas inferiores .

Partes esenciales en componentes aerodinmicos:

Alerones :

Estudio de los diferentes tipos de alerones ; delanteros ,traseros y laterales . Las dos funciones bsicas de un alern son la de reducir y optimizar la resistencia que ofrece el vehculo al aire y conseguir que la adhesin y la fuerza de apoyo del coche con el firme sea mayor. Cuanto menos brusca sea la manera en la que el coche corte el aire, el rendimiento del vehculo ser mejor. Si el aire se atraviesa de un modo progresivo, la resistencia disminuir. sa es una de las razones por las que es conveniente adquirir los alerones indicados por cada fabricante. -Por otra parte, aumentan la adherencia del neumtico al suelo, por lo que se incrementa tambin la seguridad del vehculo, especialmente cuando ste vira. No obstante, se ha de tener cuidado de no descompensar el peso de los ejes.

Retrovisores:

Un espejo retrovisor exterior aerodinmico para vehculos de motor que tiene una baja resistencia al avance con un resultado de la prevencin de la separacin de la capa lmite laminar en la cabeza del espejo y reduccin del tamao de la estela turbulenta subsecuente. El espejo del vehculo comprende un casco exterior aerodinmico que tiene una superficie continuamente lisa con orillas posteriores hacia adentro y hacia afuera. Las superficies del casco que preceden las orillas posteriores pueden ser ya sea paralelas o de cierre con relacin al flujo de aire de la corriente libre. Un dispositivo de control de capa lmite que consiste de una tira de desconexin se forma en una superficie exterior de la cabeza del espejo justamente en aguas arriba del punto de transicin o separacin, en donde el flujo laminar de la capa lmite cambiara a un flujo turbulento de la capa lmite con separacin retardada o para completar la separacin en ausencia de la tira de desconexin de capa lmite. La tira de desconexin, cuando se dimensiona y utiliza correctamente, ayudar a la capa lmite laminar al flujo turbulento de la capa lmite que reenergiza la capa lmite. La capa lmite turbulenta es ms estable y tiene ms energa que permitir que la misma se adhiera a la superficie y que permitir que el flujo de aire contine hacia y se separe en las orillas posteriores de la cabeza del espejo. Como un resultado, se reduce grandemente o elimina la separacin lo cual reduce la resistencia al avance que debera haber estado presente, en ausencia del dispositivo de control de la capa lmite .

Difusores de aire inferiores:

Un difusor es una pieza afilada que suele ser parte del coche, normalmente encontrada en la parte inferior del coche. Puedes ser localizada en la parte posterior,omuycercadelasruedas traseras.Undifusor normalmente tiene una forma de curva que termina mas arriba de donde comienzo y sueleterminar en o muy cerca del final del vehculo.El difusor tiene dos funciones:Reducir el arrastre

Reducir la altura

La parte justo detrs del vehculo es una zona que normalmente tiene turbulencia, un movimientolento deaire. El aire que pasa rpidamente por debajo del coche, tiende a encontrarse con este airelento,y esta gran diferencia de velocidad genera aun mayores turbulencias que adems generan unarrastre no deseado que puede hacer que nuestro vehculo tienda a subir perdiendo agarre.

Entradas/tomas de aire:

-Estudio de los diferentes modelos ; tomas de techo ,de aletas ,de puertas ,faldones y de capo . Las tomas de aire se utilizan para mejorar el balance trmico dentro del habitculo del motor, o de algunas partes especificas del coche. Por lo general se utilizan para ventilar los frenos en los coches con altas prestaciones, mejorar la refrigeracin del cambio de velocidades, la refrigeracin del crter del motor, refrigerar algunas piezas en particular que por su funcin o la posicin que ocupan estn muy calientes. Es muy importante su utilizacin para mejorar el balance trmico de la refrigeracin del coche, especialmente en mercados donde la climatologa es muy caliente, etc. Tambin puede ser una ayuda para mejorar la temperatura del sistema de aspiracin del motor, y para evitar entradas de agua en el sistema de aspiracin del motor, que podran daar el motor, etc,...

Llantas:

Objetivo aerodinmico a conseguir ,reducir la gran turbulencia que generan las ruedas ( En concreto, el fenmeno atacado era el que se produce al salir el aire de los conductos de refrigeracin de los frenos ) y el hecho de que antes de chocar ste contra el que recorre el exterior de la cubierta, se ve perturbado por la estructura de la llanta.

Paragolpes:

-Estudio de los diferentes tipos de alerones ; delanteros y traseros . Estos engloban gran variedad de elementos aerodinmicos adems de el paragolpes en s, tanto ya explicados como las entradas de aire como alerones . Los paragolpes juegan un papel muy importante en el diseo y en la esttica del vehculo ,adems de un papel fundamental caso de colisin.

6.Estudios aerodinmicos:

En este apartado realizaremos una investigacin del estudio aerodinmico que se realizan sobre los vehculos , de que partes/fases se compone dicho estudio , logstica necesaria y utilizada . Empresas que se dedican y los propios tneles de las marcas constructoras . Alternativas a los tneles de viento , un estudio de las mediciones y simulaciones numricas realizadas sobre el vehculo ,programas funcionamiento de los dichos programas ,alternativas a los tneles de viento y simulacin aerodinmica CFD (Computational Fluid Dynamics) .

Tuneles de viento:

En esta parte del proyecto se estudia todo sobre los tneles de viento ,partes mecnicas de las que consta En ingeniera, un tnel de viento o tnel aerodinmico es una herramienta de investigacin desarrollada para ayudar en el estudio de los efectos del movimiento del aire alrededor de objetos slidos. Con esta herramienta se simulan las condiciones que experimentar el objeto de la investigacin en una situacin real. En un tnel de viento, el objeto o modelo, permanece estacionario mientras se propulsa el paso de aire o gas alrededor de l. Se utiliza para estudiar los fenmenos que se manifiestan cuando el aire baa objetos como aviones, naves espaciales, misiles, automviles, edificios o puentes. Tipos de tuneles de viento ,abiertos y cerrados.

Camara de ensayos:

En la que se sita el modelo experimental a probar. El tamao de la cmara de ensayo es una de las caractersticas ms importante de un tnel, ya que una de grandes dimensiones permite probar modelos sin gran reduccin de escala con respecto al original, lo que permite mantener el ndice de semejanza del nmero de Reynolds.

Simulacin aerodinmica:

-La alternativa a los Tneles de viento . Aqu se realiza un estudio del CFD (Computational Fluid Dynamics) , es una rama de la mecnica de fluidos que utiliza mtodos numricos y algoritmos para resolver y analizar problemas que involucran flujo de fluidos. Las computadoras se usan para realizar los clculos necesarios para simular la interaccin de lquidos y gases con las superficies definidas por las condiciones de contorno . Con alta velocidad supercomputadoras , las mejores soluciones que puede lograrse. La investigacin en curso, sin embargo, los rendimientos de software que mejora la precisin y la velocidad de la simulacin de escenarios complejos como transnico o turbulentos flujos. La validacin inicial de dicho software se realiza mediante un tnel de viento con la validacin final que viene en las pruebas en circuito .

Bibliografia:

-Proyecto final carrera UPC-Google-Wikipedia-Dossieres sobre aerodinmica de la aviacin.