MeM 005: Ingeniería Mecánica Aerodinámica en camiones, un Ferrari de los pesos pesados.

Ingeniería Mecánica

Aerodinámica a gran escala

No hay mal que por bien no venga dice el refrán, y aunque cueste admitirlo tiene una veracidad irrefutable.

Los años 70 serán recordados por la industria, y en particular la automotriz, y por el incremento del costo de la energía, sobre todo del petróleo. Esto llevó inevitablemente a dar un paso adelante en un terreno donde antes no se había prestado atención, la aerodinámica de los pesos pesados, los camiones.

Los primeros pasos fueron deflectores frontales, luego faldas laterales para más tarde dar lugar a un sin número de modificaciones que transformaron a los diseñadores de camiones en verdaderos expertos en aerodinámica.

Mejoras aerodinámicas. Bienvenidos a la nueva era del transporte

La resistencia al avance de un vehículo esta compuesta por cuatro términos fundamentales. Dependiendo del tipo de vehículo y su utilización, algunos de estos términos serán más influentes que otros (o de mayor peso, por decirlo de alguna otra manera).

formula 1

Uno de estos cuatro términos es la resistencia aerodinámica o resistencia al aire. Aunque muchos piensen que esta sólo se limita a autos de carreras o deportivos de alta velocidad, la realidad es muy distinta.

Si bien uno de estos vehículos necesita una baja resistencia aerodinámica debido a que su utilización es a alta velocidad, el hecho de circular a velocidades menores no exime a un vehículo de mejorar sus aptitudes aerodinámicas.

Este es el caso de camiones de transporte de larga distancia.

formula 2

Esta ecuación obtenida por medio de la termodinámica de fluidos nos permite analizar la resistencia que tendrá un objeto desplazándose dentro de un medio viscoso, en este caso el aire.

Las variables que determinan la resistencia son por consecuencia el coeficiente aerodinámico (cw), la sección transversal (A) y el cuadrado de la velocidad a la que se desplaza, junto con la constante de la densidad del aire (ρ).

  • Un auto de competición circulará a altas velocidades pero su sección transversal y cw serán bajos.
  • Un camión, en cambio, circulará a una velocidad bastante inferior, pero su elevado cw e importante sección transversal harán que esta resistencia sea finalmente muy importante.

Un ejemplo vale más que mil palabras…

Para tomar idea de la magnitud de la resistencia al aire, y la potencia que consume, vamos a considerar cuatro casos muy generales. Un automóvil, un camión chasis, un camión con acoplado y finalmente un camión chasis con acoplado.

En estos casos, considerando la ecuación planteada al comienzo, la fuerza resistente del aire en [N] (9.81N=1kg) será la siguiente

tabla

Fuerza_resistencia_aerodinamica


Aquí observamos que la magnitud de la resistencia aerodinámica a 100km/h es de 15 a 20 veces superior en un camión que en un automóvil. Basándonos en este diagrama es posible calcular la potencia necesaria (en hp).

Potencia_aerodinamica_necesaria

Ahora queda claro que un camión que circula a 100km/h necesitará entre 60hp y 90hp solamente para vencer la resistencia al aire.

El mejoramiento del cw y, de ser posible, la disminución de la sección transversal del vehículo es algo que no podemos dejar de lado si la intención es dar un paso adelante en cuanto al consumo de combustible.

Los ingenieros son quienes deben proponer la relación más conveniente a la hora de hacer los diseños.

Una gran optimización aerodinámica en un camión distribuidor de productos dentro de una ciudad no será muy viable, pero sin duda será más que conveniente a la hora de diseñar un camión que recorrerá grandes distancias en la ruta, circulando a más de 60km/h. Esta apreciación también es válida para los ómnibus de larga distancia.

Te invito a sacar tus propias conclusiones calculando más valores de resistencia al aire en función de cw variables como se indica aqui abajo.

MeM 005 Aerodinamica

Ahora comprenderás por qué es necesario optimizar la aerodinámica de un vehículo sobre todo de un camión. Así se puede ahorrar hasta 3500l de combustible en 200.000km recorridos.

Si queremos cuidar el medioambiente al mismo tiempo que reducir los costos y recursos necesarios para el transporte, una alternativa inteligente es aumentar la eficiencia con un diseño aerodinámico apropiado.

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2 Respuestas

  1. Hola juan pablo: muy bueno el articulo, consulta por un tema de un proyecto que estoy armando para la facultad, tienen una idea orientatiba de en cuanto puede rondar el CX de un TANQUE de guerra mediano, para simplificar calculos tome 0,8 pero no se a ciencia cierta cuan cercano es, desde ya muchas gracias

    Ramiro Navarro octubre 9, 2014 at 11:04 pm #
    • Juan P Montiel Meurer - MOTOR EN MARCHA

      Hola Ramiro, tu pregunta requiere un poco de análisis más profundo. En principio el Cx o Cw se lo considera bajo la condición que la sección transversal considerada permanece constante a lo largo del vehículo.

      Este no es el caso en un tanque de guerra ya que hay muchos agregados que ofrecen resistencia aerodinámica pero que están posicionados en lugares particulares únicamente (ej, la torreta, lanza fumígenos, visores ópticos o reflectores nocturnos adicionales, blindajes reactivos posicionados sobre el vehículo, incluso camuflajes adicionales a base de materiales plásticos, textiles o vegetación real).

      El concepto de Cx o Cw es para vehículos relativamente homogéneos en cuanto a su forma y volumen. Por otra parte las velocidades de estos vehículos son relativamente bajas, sobre todo a campo traviesa. El TAM sobre carretera tiene una de las más altas “velocidad máxima” para esta categoría de vehículos (80km/h para su peso de 30/40 toneladas según si esta en peso “vacío” o de “combate”). Lo normal es que no superen los 60km/h.

      Finalmente, las resistencia a la rodadura en un vehículo de estas características es tan grande que cualquier otra resistencia resulta ser irrelevante, por lo que considerarla o no (en términos prácticos) resulta igual. Pensá que para girar en una curva (incluso una muy amplia) hace falta acelerar bastante si querés mantener las rpm constantes, de lo contrario la resistencia a la rodadura es tan grande que el motor bajará su régimen de vueltas hasta llegar a un valor de par suficiente para equilibrar ese aumento de resistencia a la rodadura.

      En ningún lugar encontré valores de Cx para estos vehículos, y desde un punto de vista práctico tampoco veo que haya algo que pueda ser representativo ni que tenga una influencia que valga la pena ser considerada. Si a pesar de todo, tu interés es plantear esta resistencia, podés tomar el valor que mencionaste (aunque lo considero optimista) o incluso uno bastante mayor como hipótesis, pero sabiendo que es sólo una estimación que puede variar muchísimo. Para darte una idea, un F1 es deportivo y con alta performance para acelerar y conducir en curvas , pero su Cx es superior a 1 (alrededor de 1,2) ya que para tener carga aerodinámica requiere alerones, deflectores y difusores que ofrecen resistencia. Un Ford T también tiene un Cx superior a 1.

      Espero que esto pueda orientarte un poco a la hora de decidir cómo encarar tu estudio conceptualmente.

      Juan P Montiel Meurer - MOTOR EN MARCHA octubre 14, 2014 at 10:40 am #

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