Las 3 resistencias al avance del vehículo

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Para que el automóvil, o cualquier vehículo, avance es necesaria la fuerza que aporta el par motor.

Si el par es suficiente se desplazará el automóvil, y para hacerlo rápido o acelerar con energía se necesita la potencia, que mide el tiempo en realizar un recorrido o alcanzar determinada velocidad.

Esto se constata con la fórmula de la potencia; Potencia (máxima) = Par (máximo) x RPM, hay un valor más que depende de las unidades de los factores.

La fórmula indica que la potencia se puede obtener con valores más altos de par o de RPM.

Para que se desplace el automóvil hay tres resistencias al avance del vehículo genéricas que se han de superar; de rodadura, aerodinámica y en subida de pendientes.

Vamos a desarrollarlas a continuación proponiendo enlaces a otros artículos como complemento de información.

Resistencias al avance del vehículo

Vemos como introducción las 3 resistencias al avance, cada una de estas se detallan después:

Resistencia aerodinámica; es la que opone el aire al avance del automóvil, que ha de hacerse sitio para desplazarse.

Depende de estos factores principales:

  • Forma de la carrocería; con líneas fluidas y continuas el esfuerzo (par y potencia) es menor, si son más cuadradas o discontinuas aumenta
  • Tamaño del vehículo visto de frente; es la parte del automóvil que ha de enfrentarse al aire haciéndolo pasar a su alrededor para avanzar. Cuanto mayor sea más esfuerzo (par y potencia) y a la inversa
  • Velocidad de marcha; si se circula a mayor velocidad desplazar el aire es más difícil, bastante más, lo que requiere más esfuerzo (par y potencia) y aumenta exponencialmente

Resistencia de rodadura; se genera por las fricciones de y en los neumáticos, y estos son sus principales factores:

  • Rozamientos entre los neumáticos y el piso; depende de varios aspectos, entre estos el peso sobre cada rueda, que requerirá determinados esfuerzos (par y potencia)
  • Rozamientos internos en los neumáticos; se producen por las deformaciones al soportar el peso del vehículo, que precisan esfuerzos (par y potencia) variables
  • Características del piso; puede ser más o menos abrasivo lo que afecta al esfuerzo (par y potencia) para el giro de la rueda, si es motriz, o su arrastre si no lo es

Resistencia en subida; se añade al tener que subir una pendiente con determinada inclinación o ángulo. Estos son los factores más relacionados:

  • Peso total del vehículo; que ha de ser desplazado y requerirá esfuerzos (par y potencia) adicionales a circular en llano
  • Inclinación de la pendiente en subida; es evidente que cuanto más inclinada sea los esfuerzos (par y potencia) serán proporcionalmente mayores
  • Resistencia de rodadura; es un factor que se incrementa por el peso añadido sobre las ruedas que necesita de mayores esfuerzos (más par que potencia) para subir

Hay más aspectos que influyen de alguna forma en la resistencia al avance del automóvil, desde el enfoque de su relación con los esfuerzos necesarios en par y potencia para su desplazamiento, es decir consumo de combustible del motor térmico.   

Resistencia de rodadura

Vemos un automóvil con motor delantero longitudinal de cuatro cilindros en línea y propulsión (tracción trasera), se representan también el embrague, caja de cambios, árbol de transmisión y diferencial trasero.

Esto lo veremos en las demás secuencias:

  • Se pone en marcha el motor y se desplaza el automóvil
  • Al girar las ruedas se producen rozamientos entre el piso y los neumáticos, y también en el interior de estos al deformarse por el peso del vehículo
  • Estas deformaciones implican fricciones entre los componentes internos que precisan de esfuerzos (par y potencia) para continuar girando
  • El rozamiento de rodadura es directamente proporcional al peso, e inversamente a la presión de inflado de los neumáticos
  • La fórmula de la fuerza necesaria para vencer a la resistencia de rodadura es

     FR = mr . Cr . fa y estas son las identificaciones de los datos:

    • FR es la fuerza proporcional a la resistencia a rodadura
    • mr es el peso que incide sobre cada rueda
    • Cr es el coeficiente de resistencia a la rodadura; la de la banda de rodamiento del neumático con el suelo y la de las fricciones internas entre las lonas y componentes estructurales del neumático que se producen al deformarse. Hay neumáticos de bajo rozamiento (interno) que reducen la resistencia de rodadura
    • Fa es la compensación de factores ambientales que afectan; temperatura, presión atmosférica …
  • Para el avance del automóvil es necesaria la fuerza que aporta el par motor, multiplicando su valor por las RPM se obtiene la potencia que determina la velocidad y aceleración; el par es “fuerza” y la potencia “velocidad”
  • Al estar el automóvil circulando en llano a velocidad de crucero de entre 90 y 120 km/h se necesita determinada potencia, no mucha, por lo que el par necesario tampoco es elevado, ni las RPM de giro del motor
  • La fórmula de la potencia que ya conocemos es; Potencia = Par . RPM:
    • La potencia hará falta para acelerar y circular a alta velocidad
    • El par es necesario para mover el automóvil, más valor de par cuantas mayores sean las resistencias al avance, en este caso de rodadura
    • Las RPM de giro del motor serán las precisas para obtener el par y potencia necesarios en cada situación

Para circular en llano a velocidad mantenida, en valores medios entre 90 y 120 km/h, el par motor es suficiente para desplazar el automóvil, incluso puede no ser necesario su valor máximo, lo que permite circular en la relación de cambio más larga, que en vez de multiplicar el par motor lo desmultiplica aumentando la velocidad.

La relación entre las RPM y km/h en cada marcha de caja de cambios lo determinan los desarrollos de transmisión.

Resistencia aerodinámica al avance

Al avanzar el automóvil ha de hacerse sitio en el aire, desplazándolo hacia arriba, abajo y ambos lados.

Estas alteraciones en los flujos de aire generan ciertas resistencias que se oponen al avance del vehículo siendo necesario más par motor, y potencia si se circula a más velocidad.

Vemos para explicar estos efectos aerodinámicos el automóvil de lado y de frente:

  • La resistencia aerodinámica al avance se produce al desplazar el aire alrededor del automóvil para avanzar
  • Como lo que va a afectar a los resultados es el exterior del vehículo se pasan a transparencia los ocupantes y equipaje, manteniendo motor y transmisión en el mismo tono ya que serán los encargados de aportar el par y potencia necesarios para vencer la resistencia aerodinámica
  • La resistencia aerodinámica depende de dos factores; CX y Am:
    • Coeficiente de penetración aerodinámica CX que indica la resistencia que la forma opone al avance; mejor cuanto menor sea el número que no tiene unidades de medida
    • Superficie frontal o área maestra Am que indica los m2 de la parte frontal del automóvil; más resistencia con mayor superficie Am
  • La fórmula de la fuerza para vencer la resistencia aerodinámica es:

FA = ½ . CX . Am y estos son sus datos:

    • FA es la fuerza para vencer la resistencia aerodinámica
    • CX es el coeficiente de penetración aerodinámica, que mide la calidad de la forma con relación al paso del aire
    • Da es la densidad del aire, que influye en los resultados
    • V es la velocidad de circulación, que como se ve afecta exponencialmente al resultado V2
  • Para que el automóvil avance es necesario par motor, y potencia para que lo siga haciendo a más velocidad
  • Según se circula más rápido, la velocidad influye con el cuadrado de su valor V2, hará falta más potencia, que se puede lograr con más par, más RPM o ambos factores según las condiciones de circulación, en lo que influye la orografía:
    • Potencia = Par . RPM
    • Potencia = Par . RPM
    • Potencia = Par . RPM
  • Según sea el peso y la aerodinámica del automóvil los consumos se verán afectados, lo podemos ver en este enlace con dos automóviles que tienen distintas carrocerías y el mismo motor

Los resultados aerodinámicos en el automóvil han ido mejorando progresivamente, el CX claramente, pero la superficie frontal o área maestra Am afecta a la habitabilidad y sensación de claustrofobia, por lo que tiene ciertas limitaciones.

El peso se ha intentado reducir, pero con más equipamientos en casi todos los aspectos no es fácil, y además requiere de materiales de elevado coste, en este enlace puedes ver las evoluciones en peso y aerodinámica.

En este otro enlace se comparan diferentes automóviles y soluciones para mejorar la aerodinámica de la carrocería.

Resistencia en subida

Cuando en el desplazamiento del automóvil se han de subir pendientes se añade una resistencia más al avance, que desarrollamos con un automóvil en esta situación:

  • Para poder subir la pendiente hace falta más par motor, que implicará también mayor potencia por el resultado de su fórmula; Potencia = Par . RPM
  • Hay dos formas de representar la fórmula de la fuerza necesaria para afrontar la resistencia en subida, son estas:
  1. FP = m . Cr . Sen ɑ y 2. FP = m . Cr . P% y estas son las identificaciones de los datos:
    • FP es la fuerza necesaria para subir la pendiente
    • m es el peso total del vehículo
    • Cr es el coeficiente de resistencia de rodadura; la pendiente implica un aumento del peso por el efecto de la gravedad, lo que supone más resistencia de rodadura
    • Sen ɑ es el valor del seno del ángulo de la pendiente
    • P% es la altura del desnivel (H) de la pendiente por cada 100 metros
  • Para subir la pendiente es imprescindible más par motor, que se puede obtener acelerando si el régimen es inferior al correspondiente al de par máximo y el motor responde, depende de la inclinación de la pendiente y el peso
  • Si no es suficiente se ha multiplicar el par motor mediante reducciones de relaciones en la caja de cambios; en la imagen se circula en 5ª y se va pasando a 4ª, 3ª y 2ª hasta lograr la multiplicación de par capaz de afrontar la subida

La subida en pendiente exige valores más altos de par, que en un automóvil se logran actualmente con caja de cambios manual de hasta 6 relaciones en turismos, 7 en algunos deportivos y más de 10 con cajas automáticas.

En el caso de un camión, cuyo peso total llega a ser varias veces el que tiene en vacío, se necesita bastante más número de relaciones.

Este enlace lleva a un vídeo en el que se compara el par y la potencia en tres tipos de vehículos con diferentes enfoques; camión, turismo y deportivo.

Y en este otro enlace tienes más información sobre el mismo tema, a lo que se añade lo que implica en vehículos con propulsión eléctrica con todo el par motor disponible desde el inicio de la marcha.

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