Para el diseño de los vehículos que usamos se considera que sobre cada punto de la superficie, están presentes un par de fuerzas: una fuerza de presión, normal a la superficie del cuerpo, y una fuerza de rozamiento, tangente a la superficie del cuerpo.
Si sumamos todas las fuerzas de presión que actúan sobre los diferentes elementos de superficie obtenemos, como resultante, una fuerza neta total, que estará aplicada sobre un punto imaginario llamado centro de presiones CP.
En general la suma de estas fuerzas pueden reducirse a dos componentes: fuerza de arrastre que se opone al movimiento del fluido y fuerza de sustentación que, dependiendo del vehiculo, es una fuerza que hace que éste tienda a separarse o a adherirse al suelo.
La fórmula para la fuerza de arrastre tanto en autos como en motos y bicicletas es, , donde d, es la masa especifica, V la velocidad, S la superficie frontal y Ca el coeficiente de la fuerza de arrastre, que como ya hemos mencionado depende da la forma y tamaño del vehiculo.
- Autos
En el caso de los autos se ha tenido que lidiar con una serie de efectos debido a la fuerza de arrastre. Hasta los años 1920 los fabricantes de automóviles no se consideró mayormente la fuerza de arrastre: los parabrisas y radiadores eran verticales, la carrocería era muy rugosa y desigual y la línea del coche terminaba abruptamente de forma vertical, lo cual creaba un vacío parcial en el aire que frenaba al vehículo a altas velocidades. Tiempo después la teoría que se impuso era que un coche en forma de lágrima era la forma "naturalmente" más aerodinámica. Pero esta forma no era muy práctica y no tuvo éxito comercialmente, así que empezaron a aparecer automóviles en forma de media gota seccionada longitudinalmente y puesta de forma horizontal. Por ejemplo: Los Tatra, el Volkswagen Tipo I ( el " Escarabajo") o el (en inglés) Chrysler Airflow ("flujo de aire").
Eventualmente se demostró que la forma de media lágrima cortada funcionaba aerodinámicamente mejor que la media lágrima completa, y que así además se evitaba el freno aerodinámico producido por las turbulencias alrededor de la punta de la lágrima. Se descubrió que si se unía la parte trasera del auto, donde se une el techo con la maleta en la parte trasera, con una línea suave que describe un ángulo de 20 grados o menos, el flujo de aire seguirá esta línea reduciendo el arrastre.
La fuerza de sustentación es otro problema, como en los aviones, debido a que el aire sobre el techo del auto viaja distancia mayor en el mismo tiempo en que lo hace el flujo al nivel del suelo existen diferencias de velocidad, y por lo tanto de presión entre el techo y el piso del automóvil, lo que produce una fuerza de de empuje hacia arriba. Al pasar más rápido vemos de la ecuación de energía que la componente piezométrica es mayor en la parte inferior, luego en la parte superior la presión es menor.
Esta fuerza difícilmente podría levantar el automóvil pero se debe tener cuidado pues reduce la tracción entre las ruedas y el camino, lo que podría dificultar un frenado repentino. Mientras más rápido se quiera diseñar un auto, más cercano al suelo tendrá su base, a fin de evitar que pase mucho flujo de aire por debajo de él.
En los años 60 los ingenieros de Ferrari
descubrieron que si se agregaba un “ala invertida”, del mismo modelo que usan los aviones, en la parte trasera del auto se disminuía notoriamente la fuerza que levantaba el auto, por las mismas razones que explicamos antes, sólo que al invertir la forma también se invierte el sentido de la fuerza.
Hoy en día muchos autos de uso cotidiano .tienen una forma especial en la parte trasera para conseguir el mismo efecto (aunque a veces sólo lo tienen por razones estéticas). Por otro lado, para los automóviles de alta competición, fórmula uno, el efecto del ala es de aumentar la fuerza de arrastre. Estos autos al doblar en una curva tienen hasta 4g de aceleración por lo que requieren una fuerza enorme para mantener los neumáticos firmes al suelo. Un ala demasiado grande aumentaría demasiado el coeficiente de arrastre, así que se uso un nuevo sistema: el efecto suelo. Se diseñaron autos con una nariz muy alargada y casi pegada al suelo, con un canal en la parte inferior. El canal es angosto en la parte frontal y se va expandiendo poco a poco a medida que se acerca a la cola. A altas velocidades el aire fluye como si se encontrara en un túnel cerrado, así el aire entra por la nariz y se va expandiendo cuando llega a la cola. En estas condiciones se considera que la velocidad del fluido es igual a la del auto en todo punto del canal y como el área cambia y el gasto no puede cambiar, de la ecuación de continuidad Q=d*A*V nos queda que la densidad del aire debe disminuir, lo que hace que la presión bajo el auto sea menor lo que a su vez produce una fuerza de sustentación hacia abajo.
Desde luego esto solo es práctico si el auto va muy rápido.
- Motos
Para el caso de las motos consideramos que es menos estable por moverse sobre dos ruedas y más sensible a los cambios laterales en el flujo de aire. Mientras el flujo sea laminar, como el cuerpo es simétrico el vehículo se mantendrá moviéndose en línea recta, si se comienza a mover más y más rápido y si la forma de éste es distinta al ideal para el flujo, el fluido deja de moverse en forma paralela a la superficie del cuerpo y la fricción en un lado del cuerpo puede ser diferente, el vehículo podría comenzar a dar tumbos. Si pudiéramos ver el fluido veríamos la estela de los remolinos que deja el cuerpo en movimiento. La fuerza de arrastre es relativamente proporcional al tamaño de esta estela.
La forma de gota alargada (figura a) ha sido la base para diseñar los cuerpos de motos y autos. Las medidas ideales para esta forma implicarían una moto demasiado larga, (la figura c), al acortar el cuerpo el ángulo de la cola se agranda lo que hace que la disminución de arrastre sea poco efectivo. Esto se ha solucionado sencillamente diseñando la forma original y cortando la cola en un punto apropiado, así el flujo de aire se adapta a la superficie y luego pasa sencillamente como si la cola aún estuviera ahí, (figura d), hasta cierto punto desde luego.
Otro problema con el que hay que lidiar es que la fuerza de arrastre produce un momento aplicado sobre la parte frontal de la moto, esto es muy peligroso pues reduce la tracción de la rueda delantera en el camino, lo que podría hacer que se pierda el control del vehículo, si la fuerza de arrastre fuera muy fuerte podría levantar la rueda delantera, lo que algunos acróbatas logran (y que también logran a veces personas normales…).
Debido a la fuerza de arrastre existe una tendencia a transferir el peso hacia la parte trasera de la moto. Para las motos de altas velocidades el efecto se logra controlar en parte con una forma que permita que el conductor se encuentre casi acostado boca abajo al manejar, lo cual tiene el doble efecto de reducir la fuerza de arrastre, al reducir el área frontal, y de orientar el peso del conductor en la parte delantera de la moto para contrarrestar el levantamiento. Debemos mencionar que, como en los automóviles, se podría reducir este efecto colocando los mismos alerones que se usan en los autos de carreras, sin embargo esto no es aun aplicable, puesto que a diferencia de los autos, las motos al girar inclinan el cuerpo, lo que hace que la fuerza del alerón que apunta hacia abajo pase a tener una componente horizontal que puede resultar en que el pasajero se caiga, como se muestra en la figura 3a. En el futuro se busca solucionar esto colocando un dispositivo que permita que el alerón siempre se mantenga paralelo al suelo incluso cuando la moto doble en curvas muy cerradas. Fig 3.b
La estabilidad direccional es otro factor a considerar para el diseño de las motos. Esto se considera cuando la moto se mueve en una trayectoria inclinada respecto a la trayectoria del flujo de aire. Cuando el viento llega desde un costado, la estabilidad en el movimiento depende de si el Centro de presión se encuentra detrás del centro de gravedad o no. Si el CP se encuentra detrás del centro de gravedad de la moto, se produce un momento horizontal que hace que la cara frontal de la moto se alinee con la dirección del viento. Corregir esta tendencia es relativamente sencillo para el piloto, sin embargo éste se resiente mucho más si el CP se encuentra adelante del centro de gravedad. El momento que se produce en estas condicione hace que la moto tienda a voltearse y colocar la cara frontal atrás. Como vemos en la figura 4, experimentalmente se ha encontrado que esta fuerza de costado es menor en cuerpos con forma similar a un paralelepípedo. Esto se debe a que los cuerpos cercanos a la forma ideal para reducir la fuerza de arrastre al recibir el flujo de costado producen el mismo efecto que producen las alas de un avión.
Mientras que los cuerpos no aerodinámicos dispersan el viento, el flujo turbulento casi no cambia su presión
Por esto las formas de las motos son una mezcla entre una gota, para reducir la fuerza de arrastre, y un paralelepípedo para reducir las fuerzas de costado al doblar. El aire que fluye en el frente de la máquina será laminar pero en algún punto a lo largo del cuerpo, el fluido se separará y se volverá turbulento, cuando esto ocurre el área lateral expuesta al flujo turbulento no será efectivo en mantener el centro de presión hacia la cola. Mientras más rápido se mueva uno, el punto de separación se moverá más hacia a parte delantera y lo mismo hará el centro de presión, así que la estabilidad aerodinámica empeora a medida que aceleramos. Las motos de alta competición tienen colas largas para conservar el balance el mayor tiempo posible.
- ¿Por qué los patos vuelen en V?
Es por la misma razón por la que los ciclistas profesionales usualmente se quedan rezagados en medio del grupo de ciclistas sin intentar colocarse en primer lugar sino hasta cuando falta muy poco para llegar a la meta. Mientras el ciclista se encuentra en medio del grupo los ciclistas que van adelante “abren” el fluido, en este caso aire, lo que produce una succión en la parte trasera cuando el aire llena el espacio vacío, lo que da una fuerza extra al ciclista que va detrás.
Hasta el día de hoy es un misterio como es que gansos, cisnes, patos y pelícanos llegan a usar esta formación en particular. Se cree que como los ciclistas los patos se alinean en V, pues así los que van adelante le facilitan el vuelo a los que van más atrás en la formación dándoles un empuje extra, además conservan mejor la energía pues la forma de flecha de
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