La mayoría de la gente piensa que para determinar la resistencia aerodinámica de su vehículo se necesitan unas instalaciones de 50.000 dólares y un equipo de ingenieros. No es así. De hecho, puedes calcular cuánta resistencia tiene tu auto usando física básica, un cronómetro y un amigo. Es sorprendentemente simple si eliminamos la jerga corporativa y nos atenemos a la segunda ley de Newton.
El concepto central es sencillo. La segunda ley de Newton establece que la fuerza es igual a la masa multiplicada por la aceleración (F = ma ). Cuando conduces a una velocidad constante, la potencia del motor se traduce en fuerza sobre los neumáticos. En ese momento exacto, la resistencia aerodinámica que empuja hacia atrás es igual a la fuerza que empuja hacia adelante. La fuerza neta es cero. No estás acelerando. No estás desacelerando. Estás en equilibrio.
Pon el coche en punto muerto y ese equilibrio desaparece. El motor deja de tirar. La gravedad y la resistencia a la rodadura toman el control, pero la fuerza dominante que te frena es la resistencia del aire. Al medir qué tan rápido desaceleras, puedes trabajar hacia atrás para encontrar la fuerza de arrastre.
La ecuación de carga en carretera
Antes de salir corriendo a la autopista, es necesario comprender las fuerzas en juego. La resistencia total al movimiento, a menudo llamada fuerza de carga en carretera, sigue una fórmula específica:
fuerza de carga en carretera = a + bv + cv²
Aquí, v es tu velocidad. Las letras a, b y c son constantes que representan diferentes resistencias físicas:
- El término ‘a’: Esto es independiente de la velocidad. Proviene de la resistencia a la rodadura de los neumáticos y de la fricción interna, como el roce leve de las pastillas de freno o el arrastre de los cojinetes de las ruedas.
- El término ‘b’: Esto también se debe a la fricción de los componentes y a la resistencia a la rodadura, aunque aumenta ligeramente con la velocidad.
- El término ‘c’: Este es el más importante para los entusiastas. Representa la resistencia aerodinámica. Depende de su área frontal, su coeficiente de resistencia (Cd) y la densidad del aire.
Observe el v² en la ecuación. La fuerza no crece linealmente; crece exponencialmente. La resistencia a 70 mph es significativamente mayor que a 60 mph. Por eso es tan importante la eficiencia de alta velocidad.
Debido a que la fuerza cambia rápidamente con la velocidad, es necesario medir la aceleración en una ventana muy estrecha. Lo ideal es un lapso de 3 mph o 5 kph. Usaremos unidades métricas para las matemáticas, ya que son más limpias.
El experimento
Digamos que tu coche, más tú y tu copiloto, pesa 2.000 kilogramos. Quieres probar la resistencia a unas 60 mph. En sistema métrico, eso equivale aproximadamente a 97,5 km/h. Por lo tanto, es necesario medir la desaceleración entre 100 km/h y 95 km/h.
Busque un tramo de carretera largo y plano. El poco tráfico es esencial. Elija un día con vientos tranquilos y pavimento seco. La lluvia añade peso y cambia el agarre de los neumáticos; El viento introduce variables que no puedes controlar.
Haga que su pasajero conduzca hasta 105 km/h. Cambie a punto muerto. Empiece a deslizarse. Cuando el velocímetro alcance los 100 km/h, ponga en marcha el cronómetro. Deténgalo cuando el coche baje a 95 km/h. Haga esto varias veces, tal vez conduciendo en la dirección opuesta para compensar las ligeras pendientes o ráfagas de viento. Registre los tiempos.
Supongamos que su tiempo promedio es de 10 segundos. Ahora, haz los cálculos.
Primero, convierta la caída de velocidad a metros por segundo. Una caída de 5 km/h equivale a 5.000 metros por hora. Divida por 3600 para obtener segundos. Eso es 1,389 metros por segundo.
Si tardó 10 segundos en bajar esa velocidad, la desaceleración es:
1,389 m/s ÷ 10 s = 0,1389 m/s²
Ahora, conecta esto a F = ma.
Masa = 2000 kg
Aceleración = 0,1389 m/s²
Fuerza = 2000 × 0,1389 = 277,8 Newtons
Para ponerlo en términos imperiales (ya que la mayoría de los entusiastas estadounidenses piensan en libras), 277,8 Newtons equivalen aproximadamente a 60 libras de fuerza. Esto significa que a 60 mph, su automóvil lucha contra 60 libras de resistencia al viento. Para mantener esa velocidad, su motor debe generar 60 libras de fuerza en las ruedas.
Calcular la pérdida de caballos de fuerza
Conocer la fuerza es útil, pero la mayoría de la gente quiere saber la pérdida de potencia. El poder es simplemente Fuerza multiplicada por Velocidad.
Utilice su velocidad media para la prueba: 97,5 km/h, que son 27 metros por segundo.
Potencia (Watts) = Fuerza (Newtons) × Velocidad (m/s)
Potencia = 278 N × 27 m/s = 7500 vatios
Convierte eso a kilovatios y obtendrás 7,5 kW. En caballos de fuerza, eso es aproximadamente 10 HP.
Entonces, a 60 mph, sólo para superar la resistencia aerodinámica y la resistencia a la rodadura, su automóvil utiliza aproximadamente 10 caballos de fuerza. El resto de la potencia de su motor se destina a cosas como el alternador, el compresor de CA y a superar la fricción interna.
Es un número pequeño, pero suma. A 100 mph, esa fuerza de arrastre se triplica y la potencia necesaria para superarla aumenta dramáticamente. Esta es la razón por la que un sedán elegante obtiene un mejor kilometraje en carretera que un SUV cuadrado, incluso si tienen el mismo motor. Al aire no le importa la lealtad a tu marca. Sólo le importa la forma y la velocidad.
Mídelo una vez. Te sorprenderá saber cuánta energía simplemente… se ha ido. Al viento.
