mini|300px|Líneas de flujo alrededor de un automóvil en un túnel de viento mini|300px|El gas opaco permite visualizar los flujos de aire alrededor de la carrocería mini|Llegada de G. Vinet de la carrera París-Ámsterdam-París de 1898, sobre el «Torpilleur Type B» de Amédée Bollet con carrocería de aluminio, primer coche nacido de un estudio aerodinámico

La aerodinámica automotriz es el estudio de los fenómenos de aerodinámica inducidos por el flujo de aire alrededor de un automóvil en movimiento. El conocimiento de estos fenómenos permite, entre otras cosas, optimizar el consumo de los vehículos al reducir su resistencia aerodinámica, mejorar su comportamiento en carretera al influir en su sustentación (o en su carga aerodinámica) y reducir los fenómenos aeroacústicos y turbulencias a alta velocidad.

Tenido en cuenta desde muy temprano en la historia del automóvil, con ejemplos como La Jamais Contente, un coche eléctrico de 1899 perfilado como un torpedo, la aerodinámica automotriz ganó impulso en la década de 1930. De hecho, fue en 1934 en los Estados Unidos cuando apareció el Chrysler Airflow, el primer automóvil de producción en serie diseñado a partir de un perfil aerodinámico. Posteriormente, los coches siguieron mejorando en este aspecto, sobre todo tras la aparición de la Fórmula 1, cuyo campeonato sigue aportando avances en este campo.

Dado que la aerodinámica está intrínsecamente vinculada a la mecánica de fluidos, las pruebas en túnel de viento se han convertido ahora en un elemento esencial para los fabricantes de automóviles. Además, debido a los complejos fenómenos involucrados en la aerodinámica, tanto las grandes marcas como especialmente los equipos de carreras, también se valen de la mecánica de fluidos computacional para analizar este tipo de problemas.

Variables aerodinámicas thumb| de distintas formas geométricas, y casos de la posición con respecto a la carretera y su influencia

Resistencia aerodinámica al avance

En mecánica de fluidos, la resistencia es la fuerza que se opone al movimiento de un cuerpo en un fluido. En el caso de un automóvil, el fluido que se opone al avance del vehículo es el aire. Por lo tanto, a los fabricantes les interesa reducir esta resistencia aerodinámica, la fuerza causante de un aumento del consumo de combustible y de una reducción de la velocidad máxima en consonancia.

La resistencia se expresa mediante la fórmula:Jean-Pierre Brossard, Dynamique du véhicule : Modélisation des systèmes complexes, p. 235-239.

donde : , densidad del aire (en ); , velocidad del vehículo en relación con el aire (en ); , sección transversal máxima (en ); , coeficiente de resistencia (sin unidad).

Esta expresión destaca un parámetro esencial para la determinación de la resistencia:En la literatura anglosajona, el coeficiente se denomina Cd por la inicial de la palabra "drag", que significa resistencia. el o coeficiente de resistencia, definido como la relación entre la resistencia de un objeto y el de un objeto de la misma sección moviéndose a la misma velocidad en el mismo fluido y que tuviese un coeficiente de resistencia de 1. Esta magnitud adimensional caracteriza así la calidad del “perfilado aerodinámico” de un objeto con respecto a su resistencia al avance causada por el aire según una dirección dada.

mini|La presión en la parte delantera de un eco-móvil (en rojo) es una fuente de resistencia, incluso si esta resistencia se compensa paradójicamente casi en su totalidad por las depresiones en el resto de la carrocería

El valor de la sección maestra S (el área máxima del vehículo frontalmente proyectada) puede obtenerse claculándola a partir de un plano con sus dimensiones o estimarse, por ejemplo, mediante la llamada fórmula de Paul Frère:

donde es la altura total del vehículo sobre la calzada, su anchura (sin espejos), un coeficiente de llenado (la parte del rectángulo ocupada realmente por la sección maestra del vehículo), aproximadamente igual a

Por su parte, el libro "Aerodynamics of Road Vehicles" publicado por Wolf-Heinrich Hucho, citando a Flegl y Bez, utiliza un coeficiente de llenado promedio (o factor de forma) de 0,81, establecido a partir del estudio de 85 modelos de automóviles europeos. Este factor de forma se utiliza para calcular de manera aproximada el área frontal de un vehículo (europeo) según la siguiente regla empírica de ingeniería:

siendo: la altura total del vehículo sobre la calzada (hasta el techo o la parte superior del parabrisas para los descapotables, sin considerar antenas); su ancho (sin espejos).

Para automóviles de pasajeros, la sección maestra varía entre ..

La resistencia principal, del orden de de la resistencia total, es la "resistencia de forma" (o perfil). Se debe a dos fenómenos físicos: por un lado, el conjunto de presiones sobre la parte delantera de la carrocería del vehículo (sobrepresiones y depresiones) que resulta, además, de forma muy contraria a la intuición, en una resistencia relativamente baja; y por otro lado, el efecto de la depresión que queda después del paso del vehículo, que produce la llamada “resistencia de base”, que representa una parte significativa de la resistencia total (véase más adelante)..

Otros factores que contribuyen a incrementar la resistencia aerodinámica al avance son las turbulencias ligadas a la separación de la capa límite, los vórtices vinculados a la “resistencia inducida” por la sustentación, la “resistencia interna” necesaria para refrigerar el motor, la circulación de aire en el habitáculo, o la resistencia debida a la fricción en la capa límite provocado por la viscosidad del aire.Véase fluidos viscosos..

Importancia del Cx y de la superficie frontal con respecto al consumo de combustible mini|400px|Eficiencia energética de los coches térmicos en ciudad y en carretera, cité et illustré dans :

mini|Punto de corte de las curvas de la resistencia aerodinámica y de la resistencia a la rodadura

Cuando un automóvil circula por una carretera, una gran parte de la energía consumida se utiliza para superar la resistencia aerodinámica. A alta velocidad, esta resistencia aerodinámica es preponderante en relación con la resistencia a la rodadura, dado que su valor aumenta con el cuadrado de la velocidad.

Para reducir la resistencia aerodinámica de un automóvil, los fabricantes pueden actuar sobre dos parámetros: el Cx y la sección maestra S. Siendo incompatible la evolución ascendente de los estándares en términos de confort y habitabilidad con una reducción de la sección maestra, es esencialmente el Cx el principal factor sobre el que actuar. Al reducir un Cx inicial de 0,40 en un 15%, un vehículo que viaja a puede ahorrar un litro de combustible en cada ..

La densidad del aire se toma igual a a 20 °C.

La siguiente tabla resume la resistencia aerodinámica de un utilitario deportivo con una superficie frontal de en función de su velocidad, para dos de 0,3 y 0,38.

+ Resistencia aerodinámica de un utilitario deportivo (en ) Superficie frontal = Cx = 0,38 118,8 232,8 384,8 574,8 802,8 Cx = 0,30 93,8 183,8 303,8 453,8 633,8

La siguiente tabla resume la resistencia aerodinámica de un utilitario diésel con una superficie frontal de en función de su velocidad, para dos valores de de 0,3 y 0,38.

+ Resistencia aerodinámica de un utilitario (en N) Superficie frontal = Cx = 0,38 76,5 150,0 248,0 370,4 517,3 Cx = 0,30 60,4 118,4 195,8 292,4 408,4

Siendo la unidad (kWh/100 km) el equivalente a una fuerza de , las tablas quedan como sigue:

+ Pérdida de energía aerodinámica de un utilitario deportivo (en ) Superficie frontal = Cx = 0,38 3,3 6,5 10,7 16,0 22,3 Cx = 0,30 2,6 5,1 8,4 12,6 17,6

así como también :

+ Pérdida de energía aerodinámica de un utilitario (en kWh/100 km) Superficie frontal = Cx = 0,38 2,1 4,2 6,9 10,3 14,4 Cx = 0,30 1,7 3,3 5,4 8,1 11,3

Como un litro de gasolina representa aproximadamente ,Véanse las notas sobre el consumo de vehículos eléctricos. la tabla se convierte en:

+ Pérdida de energía aerodinámica de un utilitario deportivo (en l/100 km) Superficie frontal = Cx = 0,38 0,33 0,65 1,07 1,60 2,23 Cx = 0,30 0,26 0,51 0,84 1,26 1,76

así como también :

+ Pérdida de energía aerodinámica de un utilitario (en l/100 km) Superficie frontal = Cx = 0,38 0,21 0,42 0,69 1,03 1,44 Cx = 0,30 0,17 0,33 0,54 0,81 1,13

Queda por tener en cuenta la eficiencia global del vehículo, ilustrada en el diagrama adjunto. Está entre el 13 y el 20% para los vehículos térmicos y alrededor del 50% para los vehículos eléctricos (teniendo en cuenta la calefacción, el aire acondicionado y las pérdidas de la red eléctrica, Jean-Marc Jancovici, La voiture électrique sur jancovici.com. pero omitiendo la eficiencia en la producción de la electricidad (véase automóvil eléctrico).

Nota Los cálculos se realizan para velocidad constante. En el caso de un cambio de velocidad lineal en función del tiempo, como los presentes en los ciclos estándar del NEDC por ejemplo, todavía es posible determinar una resistencia aerodinámica media. Para un cambio de velocidad lineal entre las velocidades y , la resistencia aerodinámica promedio es la siguiente:

Estimación de la reducción del consumo por la mejora del mini|Velocidad a la que la resistencia aerodinámica es igual a la de rodadura (velocidad estable, pendiente 0)

Con pendiente cero (y a velocidad comstante), la fuerza de propulsión equivale a:

ecuación donde es la masa del vehículo, la aceleración de la gravedad, el coeficiente de resistencia a la rodadura, la densidad del aire, la velocidad del vehículo en relación con el aire, la superficie frontal y el coeficiente de resistencia aerodinámica del vehículo.

Si la pendiente de la carretera es cero y la velocidad es constante, cuando la resistencia a la rodadura es igual a la resistencia aerodinámica , se puede escribir:

Es fácil despejar de esta igualdad el valor de que iguala la resistencia de rodadura y la resistencia aerodinámica, y trazar el gráfico opuesto, representando la velocidad de igualdad en función de y para diferentes valores del producto ( es la masa del vehículo en kg y su coeficiente de resistencia a la rodadura, que desciende a 0,006 para los mejores juegos de neumáticos).

De la primera ecuación se deduce fácilmente que la variación relativa de , es decir, , vale:

Cuando se toma para su valor de , para su valor de , y transformando los km/h en m/s, se tiene que para una velocidad comstante V de :

Esta variación relativa en la fuerza propulsora debería estar vinculada a la correspondiente variación relativa en el consumo.

Una variación de la fuerza propulsora sí produce una variación (en la misma dirección) del consumo: el consumo en litros por está efectivamente ligado (en una primera aproximación, y con un coeficiente k aproximado) a la eficiencia del motor, y es proporcional a la propia fuerza propulsora.El consumo de combustible por cada representa la energía gastada para viajar esa distancia. Sin embargo, la energía gastada en resistencia para cubrir estos con pendiente cero y a velocidad constante es .

Sin embargo, parte de la energía gastada por el vehículo no está ligada a la distancia recorrida ni a la fuerza propulsora, es la parte de la energía gastada para activar los accesorios (como el aire acondicionado, la iluminación, o los servo mecanismos). Sovran y BlasereGino Sovran, Dwight Blaser, A Contribution to Understanding Automotive Fuel Economy and Its Limits , Sociedad de Ingenieros de Automoción, 2003 . estiman que esta energía (o consumo) es el 6% de la energía total gastada por el vehículo en una autopista. Si se adopta esta estimación para los viajes en las autopistas europeas (siempre con pemdiente cero y a velocidad constante), se puede escribir: