Conceptos Físicos Fundamentales en Automoción

Fuerza, Trabajo y Potencia son conceptos físicos fundamentales implicados directamente en el funcionamiento del automóvil, previos al diseño y gama del vehículo.

Fuerza

Concepto que se expresa con letra mayúscula F y se mide en Newton (N). Un Newton se define como la fuerza necesaria para proporcionar una aceleración de 1 m/s² a un objeto de 1 kg de masa.

1 N = 1 (kg · m/s²)

Para mantener la velocidad: Fuerza de accionamiento = Fuerza de resistencia al avance.
Para acelerar: Fuerza de accionamiento > Fuerza de resistencia al avance.

Fuerzas opositoras que conforman la resistencia al avance:

• Resistencia por inercia (Fi): Propiedad que tienen los cuerpos de resistirse al cambio de estado en el que se encuentran, tanto cuando están en movimiento y se quiere aumentar o disminuir la velocidad, como cuando están parados y se quieren mover. Implica un alto nivel de consumo. Se calcula multiplicando la masa del vehículo (kg) por la aceleración producida (m/s²).
  F = m · a
• Resistencia a la rodadura (Fr): Debido al peso que soportan las ruedas, los neumáticos ejercen presión sobre el terreno. El rozamiento que origina es la resistencia de rodadura. Sus factores son:
  • Peso del vehículo
  • Naturaleza del suelo
  • Neumáticos
  Si el coeficiente de fricción disminuye, la fuerza de fricción disminuye.
• Resistencia del aire (Fa): Al desplazarse, el vehículo choca con el aire. Depende de varios factores:
  • Su superficie frontal (ancho, alto)
  • Coeficiente de penetración aerodinámica
• Pendiente de la calzada (Fp): La fuerza que contrarresta la fuerza motriz depende del peso del vehículo y de la inclinación de la calzada. Esa fuerza viene expresada por:
  Fp = P · sen(α) (donde P es el peso y α es el ángulo de la pendiente)
  Para calcular una pendiente en tanto por ciento: (Distancia en vertical × 100) / Distancia en horizontal
• Resistencia por rozamiento mecánico: Pérdidas de rendimiento en los mecanismos de transmisión como consecuencia de la fricción que se genera en distintos mecanismos.

Trabajo

Aplicando una fuerza que recorre un trayecto, se habla de trabajo en términos físicos. El trabajo que realiza una fuerza se define como el producto de esta por el camino que recorre:

W = F · S

Su unidad es el Newton-metro (Nm), también conocido como Joule (J).

Potencia

Es el trabajo realizado en un determinado tiempo. Se representa con la letra P y se mide en Vatios (W).

Para su cálculo: P = W (Trabajo en Nm) / t (tiempo en s)

Efecto Palancas y Par de Giro

Siempre que una fuerza actúa en torno a un punto de giro, se produce un par de giro. Es el resultado de la fuerza aplicada por la distancia al punto de giro.

M = F · r (donde M es el par, F la fuerza y r la distancia)

Transmisión de Revoluciones y Par de Fuerza

La caja de cambios convierte las revoluciones y el par de giro para adecuarlos a cada situación. Permite obtener distintas relaciones de marchas mediante un sistema de engranajes. Pueden ser manuales o automáticas.

Consideremos dos situaciones diferentes:

1. Un vehículo inicia el desplazamiento en pendiente. Se selecciona la primera marcha para acelerar e iniciar el movimiento, y el tacómetro marca 3000 rpm.
2. Este mismo vehículo se desplaza con rapidez por carretera asfaltada y el tacómetro marca 3000 rpm.

En ambas situaciones, las revoluciones del motor son las mismas (3000 rpm), pero la velocidad del vehículo es diferente. En función de la marcha seleccionada, las ruedas motrices demandan un número de revoluciones y un par de giro diferente.

Si la rueda impulsada es igual que la motriz, la relación es 1:1. Si la rueda motriz es más pequeña que la impulsada, al dar una vuelta la motriz, la impulsada da menos de una vuelta (por ejemplo, media vuelta). Su número de revoluciones es menor que el de la motriz. En este caso, se dice que hay una desmultiplicación, y la rueda impulsada tiene un par de giro mayor respecto a la rueda motriz.

La relación entre el número de revoluciones de la rueda motriz y la impulsada se denomina relación de desmultiplicación (i).

• Si la rueda motriz es más pequeña que la impulsada, tiene un par de giro mayor pero menor número de rpm. i > 1: decimos que hay desmultiplicación.
• Si la rueda motriz es mayor que la impulsada, tiene menos par de giro pero más revoluciones. i < 1: decimos que hay una multiplicación.