miércoles, 28 de septiembre de 2011

Aerodinámica
Los cuerpos en la tierra están sometidos a la presión atmosférica, si un objeto se mueve por el aire se somete a distintas presiones, si se mueve más deprisa tiene menos presión. Para que un objeto vuele se debe hacer que el aire se mueva más rápido por la parte de arriba que por la de abajo del objeto, de esta forma existe una succión por la parte superior y una presión por la inferior que hace que el objeto se empuje hacia arriba.
Cuanto más rápido nos movemos, más resistencia opone el aire a nuestro movimiento. La parte de la mecánica que estudia esta resistencia que opone el aire al movimiento de distintos vehículos es la aerodinámica. El aire genera una resistencia al movimiento de los objetos debido al rozamiento entre el objeto y el aire, (de forma general este rozamiento depende de la rugosidad de la superficie), a superficies más rugosas mayor resistencia al aire. Otra de las causas de la resistencia de los objetos a su avance a través del aire consiste a las distintas presiones que hay entre la parte de delante del objeto y la de atrás.
La distinta presión que hay entre la parte de delante de un objeto y la parte de atrás es debida a que el aire se desprende del objeto sin mantener contacto con él en la parte posterior, generando remolinos allá donde hay un vacío que explica que la presión sea menor en la parte de atrás del objeto. De ahí que es más importante en la aerodinámica que el aire se deslice suavemente por la parte de atrás de un objeto sin crear turbulencias que el objeto penetre perfectamente a través del aire sin resistencia.
Al estudiar el movimiento de fluidos  podemos decir que se deslizan de forma laminar cuando lo hacen sin obstáculo alguno y de forma lenta. No obstante cuando la corriente del aire se cruza con un obstáculo se generan remolinos provocando que las láminas se crucen entre sí generando turbulencias. De ello depende también  la velocidad del fluido así como la forma del objeto.
Bernouilli demostró que la presión de un fluido a través de una misma línea de corriente es inversamente proporcional a su velocidad. Ello quiere decir que cuanto más rápido se mueva un fluido menor es la presión que ejerce el mismo. De esta manera las alas están diseñadas de forma que la velocidad del aire es mayor por la parte superior que la inferior, con lo que la presión del aire es más grande por la parte inferior del ala, lo que hace que se eleve.
Las distintas presiones que hay entre la parte superior e inferior del ala también se debe al vacío que se genera cuando un fluido rodea el perfil de un objeto de forma rápida y no es capaz de adherirse a él. El Vacío se genera por el desprendimiento del aire en la parte superior del ala, sumado a las distintas fuerzas de distinta presión tenemos que son menores y contrarias a la fuerza de la gravedad, lo que hace que el objeto se eleve y emprenda el vuelo.
El efecto Venturi
Si por un tubo se desplaza un fluido y éste se estrecha, el fluido aumenta su velocidad y por tanto disminuye su presión sobre el tubo. Si al mismo tiempo en ese punto de disminución de presión ponemos otro tubo, la bajada de presión general en este punto una succión que se aprovecha en distintos diseños de aviones, en velocímetros (un tubo en el exterior del fuselaje indica mayor velocidad en el avión cuando es mayor la depresión en el extremo del tubo, esto indica la velocidad del viento con respecto a un punto del ala del avión, dando un dato importante sobre la sustentación del mismo), en conductos de ventilación, en carburadores, en las chimeneas de ventilación de los cuartos de baño, en pulverizadores y esponjas, en los barcos para achicar el agua en los que hay un tubo contrario a la marcha por el que sale el agua filtrada de espacios interiores, etcétera. Ni siquiera es necesario que el tubo se estreche ya que en un fluido que se desplaza la presión es menor produciendo el mismo efecto, es el caso de los huecos de ventilación en los que exteriormente se mueve el aire generando una succión a través del tubo.


El túnel del viento
Para saber si un vehículo es aerodinámico se simula su situación real en un túnel aerodinámico de forma cilíndrica llena de ventiladores que generan distintas corrientes de aire a distintas velocidades, en las que en vez de moverse el vehículo se mueve el aire contra el vehículo. Normalmente se le unen tiras de lana en puntos clave de la superficie del móvil, sea una maqueta de un avión, un automóvil, una bicicleta, etcétera. A veces se utiliza un humo que ha sido coloreado mezclado con el aire para poder observar las turbulencias de una forma más clara. Las turbulencias dejan patente las distintas presiones que se generan por las corrientes de aire, a veces éstos datos son registrados por dispositivos electrónicos que interpreta un ordenador obteniendo tablas del perfil aerodinámico. El túnel de viento consta de un colector por el que se acelera el aire de forma progresiva mediante potentes ventiladores, un dispositivo de telas metálicas para reducir las turbulencias del aire, una cámara de medición que propicia que el aire se genere en condiciones estables y un difusor en la salida de la cámara de medición para reducir la velocidad de salida del aire.
El bumeráng
Es un objeto formado por dos alas de distinta sección ya que el objeto gira y la superficie de ataque o parte más gruesa debe ir siempre por delante, esto quiere decir que si la mitad del bumerán está girando por ejemplo a la izquierda penetra con la forma más ancha hacia la forma izquierda por su curva convexa pero cuando da la vuelta la forma cóncava debe también tener también el borde de ataque en el mismo sentido, hacia la izquierda por lo que el borde está invertido en ambas alas.

Aerodinámica en automóviles
En otros tiempos en los que los coches no alcanzaban grandes velocidades, se trataba de que éstos pudieran penetrar bien a través del aire, para ello sus diseños eran análogos a las gotas de agua , hoy en día debido a las grandes velocidades que alcanzan, es más importante mantener el automóvil lo más pegado al suelo posible ya que a grandes velocidades el automóvil puede emprender el vuelo, para eso van provistos de alas invertidas o deflectores que hacen que el coche se pegue al suelo.
La aerodinámica en un automóvil disminuye el consumo del mismo, incrementa la velocidad, reducen el ruido y por tanto los accidentes. A una velocidad de 100 km hora, la resistencia al aire supone el 50% de resistencia al avance del automóvil. Es por lo que a partir de 1970 se estudia un poco más en profundidad el diseño aerodinámico de los coches, se ajustan los bordes entre el techo y el maletero, se alisa la superficie exterior del automóvil, se ajustan los habitáculos a las formas externas, se hacen más lisos los bajos de la carrocería, se hacen los coches más bajos, se colocan planchas de acceso en el motor, escape y bastidor, algunos coches llevan equipos electrónicos que reducen su altura en función de la velocidad e incluso despliegan alerones también según la velocidad.
Los coches de tres volúmenes para que sean aerodinámicos tienen una parte trasera muy elevada y la delantera muy redondeada, las juntas son más estancas, tanto entre el capó como entre faros y cristales a ras de la carrocería, llamados cristales de paño. Ya casi todos incorporan un expoiler delantero integrado en el parachoques, y todos los elementos salientes del coche, como pueden ser cerraduras, retrovisores, etcétera, suelen ser perfectamente integrados, con pasos muy lisos y suaves, poco protuberantes.
En todo caso la calidad aerodinámica puede suponer sólo un buen coeficiente aerodinámico, lo que es representativo solo en parte de la penetración aerodinámica, para ello hay que tener en cuenta la resistencia al aire, su valor absoluto. La resistencia el aire se obtiene mediante el producto del coeficiente de aerodinámica por la superficie de ataque del coche (la superficie que está expuesta a la resistencia al aire), para una mejor aerodinámica se debe reducir la superficie de ataque.
Una buena penetración aerodinámica o resistencia al aire puede consistir en aplicar en la parte trasera del coche un corte vertical, como ya demostró Kamm en 1934, si bien una trasera perfectamente vertical como puede tener el Lancia y-10 puede ser poco estética, tiene la ventaja de crear un mayor espacio interior en el coche. En un coche cortado por detrás de forma limpia mediante un plano vertical, tenemos que el flujo del aire que se desplaza a lo largo de la superficie  es laminar y se corta de forma limpia en el borde de la trasera de manera que las turbulencias ya no afectan a su carrocería cuando está en movimiento.


En coches deportivos nos encontramos con motores muy grandes de largos capós y con gran superficie de ataque, por lo que es difícil hacerlos muy aerodinámicos. A veces lo conseguían mediante franjas horizontales que facilitaban el flujo laminar mediante la canalización del aire, como en el caso del Ferrari Testarossa. No obstante en los coches deportivos con gran empuje ascensional debido a la velocidad es difícil hacer un buen coeficiente de penetración sabiendo que para aumentar su estabilidad se genera en ellos un vacío en la parte trasera a modo de succión, el llamado efecto suelo para que se peguen más al asfalto.
La aerodinámica en todo caso ha propiciado que casi todos los coches tengan una forma similar, no como ocurría en los años 50 o 60. Los automóviles vienen siendo monovolúmenes o de forma parecida, un diseño de media gota de agua abultado por la parte superior en la zona del conductor que se va inclinando hacia abajo hasta crear detrás una trasera vertical, y si no es vertical se le pone un deflector (una pestaña o saliente adherida al final del automóvil) para crear un vacío en la parte final y que las turbulencias no afecten a la carrocería.
Para crear un coche más aerodinámico, se calcula la horizontalidad óptima del mismo, una bajada de la carrocería   hasta el suelo para evitar que entre aire por debajo propiciando rozamiento continuo, se le suprimen los espejos retrovisores y se remplazan por cámaras de video posteriores, se eliminan detalles que propician entrantes o salientes en el coche como puedan ser las ventanillas traseras que se abren, techos corredizos, llantas con detalles protuberantes, etc.

En la imagen observamos un Opel Kadett GSI, esta versión deportiva presenta unos pequeños detalles aerodinámicos que generan en el automóvil una mejoría considerable en su Cx, convirtiéndolo en el más aerodinámico de su categoría en la época en la que fue concebido.Con una resistencia al aire de 0,60 que es producto del  coeficiente de penetración aerodinámica con un valor Cx de 0,32 ( la versión de tres volúmenes tenía un coeficiente de penetración de 0,38 ) y una superficie de ataque de1,88 metros.
Página de dibujos de coches

El vuelo de los aviones


En el momento del despegue y del aterrizaje se utiliza el flap para que el avión tenga más capacidad de sustentación a una velocidad muy baja.




Estos alerones que se abren hacia arriba y otro hacia abajo trabajan conjuntamente, el que se levanta reduce la sustentación del ala mientras que el que se baja la aumenta con lo que el avión hace un giro sobre su eje.

Se utiliza este borde de ataque durante el aterrizaje y despegue para que el avión tengan más capacidad de sustentación a una baja velocidad.

Este freno aerodinámico o spoiler aumenta la resistencia al avance del avión y reduce su sustentación por lo que se utiliza en el momento del aterrizaje.


La aerodinámica en la bicicleta
La principal fuerza que frena el avance del ciclista es la resistencia el aire, a 50 km hora, la que puede corresponder a una carrera contrarreloj, supone el 90% de las fuerzas que debe vencer el corredor. Además la resistencia se incrementa con el cuadrado de la velocidad, por ejemplo, al pasar de 20 a 40 km no hay que hacer el doble de esfuerzo sino el cuádruple.
Para hacer un estudio de un buen rendimiento del ciclista frente al aire se les expone a un túnel de viento con un motor de 450 kW a 420 V en un flujo continuo de circuito cerrado atmosférico y cámaras de ensayos abiertas.
A las bicicletas y ciclistas se les expone  a corrientes de aire de entre 45 y 60 km/h en los túneles de viento simulando las que corresponderán a las carreras a las que se enfrentan, se trata de encontrar el coeficiente de penetración en el aire del ciclista y bicicleta, con ello se propiciará minimizar la resistencia al aire para ganar más tiempo en las carreras. El ciclista tiene que luchar sobre todo en la contrarreloj que va solo contra el aire a una velocidad que ronda entre los 45 y 60 km/h. Hay ciclistas que han ganado carreras por la aerodinámica, por lo que es muy importante que el ciclista haga una simulación y adopte la postura más adecuada para una mejor penetración a través del aire con el menor esfuerzo posible.
La bicicleta está llena de sensores que traducidos al lenguaje informático en un monitor expresan detalles de la penetración del mismo. Es interesante que el corredor sea ligero y poco corpulento para tener una mejor penetración en el aire. Por regla general los ciclistas ya saben que se deben encorvar para minimizar la resistencia al aire. La resistencia del aire lo empuja hacia atrás, también la disposición irregular del ciclista hace que el aire fluya a distintas velocidades, el flujo del aire pasa por encima del ciclista a más velocidad que por debajo, sobre todo gracias a los cascos de contrarreloj en forma de gota de agua, facilitando que el aire que circulen por la superficie curva lo haga con mayor rapidez que si fuera plana, como es el caso del aire que atraviesa el ciclista por su caja torácica o entre las ruedas. La diferencia de velocidades genera una presión negativa y fuerza hacia arriba por lo que el empuje hacia arriba es superior al del peso creando cierta sustentación que lo aligera y lo hacen más aerodinámico. Cuando el ciclista pedalea se generan distintas fuerzas a ambos lados que rompen la aerodinámica perdiendo unas décimas de segundo, por lo que es fundamental estudiar el estudio de la posición uniforme del ciclista sobre la bicicleta y por supuesto no levantar el casco por la parte trasera por mover la cabeza hacia abajo, lo que genera grandes turbulencias por la zona de la nuca del ciclista. En el ciclista se dan unas fuerzas laterales debidas al pataleo de forma asimétrica, hay otras fuerzas debidas a la resistencia al aire que opone la bicicleta y el ciclista, hay una fuerza hacia arriba debida al principio de Bernouilli de diferencia de presión negativa, otra fuerza debida al peso en movimiento y al pedaleo. Si bien es importante todo este conjunto de fuerzas, también lo es que el ciclista sea lo más estrecho posible para ello lleva un manillar de cabra que le hace juntar los antebrazos transformándose prácticamente en una figura plana.
En la imagen observamos al siete veces campeón del tour Armstrong. La bicicleta tiene una cuidada aerodinámica, las barras del cuadro son por regla general de sección en forma de gota de agua, el cambio de marchas lo llevan sobre el manillar de cabra e intentan evitar tocar el freno (en los extremos del manillar) en casi toda la carrera para no estropear la aerodinámica.

Los ciclistas han podido comprobar que deben estudiar hasta la mínima mejora, como por ejemplo cerrar codos sobre el manillar de triatleta, bajar la barbilla, juntar los hombros, unir más las rodillas, extender más los antebrazos respecto los brazos, etcétera. Estos pequeños cambios pueden suponer hasta 3 km más por hora y por tanto el triunfo en una contrarreloj. También deben evitar las brusquedades que generan turbulencias, de esta forma se evita también dispersar la potencia por el aire. Sólo elevar la cola del casco como cuando bajan la cabeza supone un 10% más de resistencia al aire mientras que el casco aerodinámico pegado a la espalda y los antebrazos bien unidos generan la mejor penetración del frente al aire. El manillar de triatleta denominado cabra supone una mejoría del 20%.
En la imagen observamos al triatleta Gómez Noya, varias veces campeón del mundo de triatlón.
Aunque es bueno arañar unos segundos en la carrera sobre la bicicleta, detalles como un casco lleno de huecos para facilitar la refrigeración estropean la aerodinámica que pueden suponer otros detalles como el manillar de cabra.


Indurain, el pentacampeón del Tour,  con su gran estatura  y corpulencia  (1,90 m)  no le impedía ser imbatible en la contrarreloj, con el problema añadido que supone una gran superficie de ataque para cortar el aire en la lucha contra el crono.