1r ciclo Fuerza del aire sobre un spoiler del coche.

[gdonoso94]

Hola. Resulta que he estado de vacaciones y al llegar a mi destino me he encontrado que un spoiler que va bajo el coche se había soltado del lado derecho y la rueda se había comido una especie de plástico negro que va por el interior del guardabarros del coche. Claro, al estudiar física me da por darle al coco y me puse a pensar qué fuerza ha hecho que se soltase ese spoiler sin recibir ningún golpe. Mi problema aparece cuando no se me ocurre cómo plantear el tema, las dimensiones del spoiler son aproximadamente 10x120 cm, y la velocidad media durante el viaje de unos 130 km/h. ¿Cómo podría hallar la fuerza que se ha aplicado durante las 4 horas de viaje sobre el spoiler?

Gracias.

[visitante20160513]

Re: Fuerza del aire sobre un spoiler del coche.

Probablemente no haya sido provocado por la fuerza del viento solamente, habrán intervenido otros factores, vibraciones, defectos de fábrica, etc. En cualquier caso lo que parece que más te interesa es saber calcular el empuje del viento sobre un objeto situado en su camino. Dicho empuje puede calcularse como la variación de la cantidad de movimiento del aire debida a la presencia de dicho obstáculo. Hay diversas formas de hacerlo, y encontrarás bastante literatura en Internet sobre eso. Aunque es un problema bastante complejo.

Salu2

[gdonoso94]

Re: Fuerza del aire sobre un spoiler del coche.

Lo de los factores como la vibración y demás lo había obviado, si no el problema sería tremendamente complicado. ¿Sabes algún sitio donde pueda encontrar algo sobre esto?

[visitante20160513]

Re: Fuerza del aire sobre un spoiler del coche.

Realmente nos enfrentamos a varios problemas muy complejos, que pueden definirse con precisión matemática pero que solo van a poder resolverse utilizando diversas técnicas de aproximación al problema dadas las características excesivamente complejas del comportamiento del aire en régimen turbulento.

Digamos en primer lugar que la acción del viento sobre un cuerpo rígido (si es que el spoiler puede considerarse como tal) se puede describir como la suma de las acciones elementales debidas a la presión en cada uno de los puntos de la superficie del sólido, acciones que al final se deben comportar como un sistema de fuerzas elementales:

$\mathbf{dF}=p\ \mathbf{da}$

de manera que dicha acción extendida a toda su superficie del sólido puede al final resumirse en dos, una fuerza y un momento resultante.

Nuestro problema principal estriba en determinar el valor de la presión real en cada uno de los puntos de la superficie del sólido debida a la velocidad del viento, velocidad que imaginaremos constante. El problema es complejo debido a que el aire en estas condiciones asume un régimen turbulento y a otros factores tales como el de las superficies a barlovento y a sotavento, y solo es posible hacerlo en general utilizando coeficientes calculados empíricamente para diversos tipos de superficies y distintas velocidades del viento. Ejemplos de problemas de este tipo resueltos de forma práctica se encuentran en muchos campos de la física y de la tecnología y de muchas actividades humanas tales como la aerodinámica, la arquitectura, la automoción con su famoso coeficiente de penetración aerodinámica, el deporte en pruebas atléticas de velocidad, la formula I, etc, pero si lo que buscas es una fórmula teórica para determinar dicha acción vas a tener que buscar mucho porque yo diría que no existe ninguna salvo una expresión en forma integral que no vas a poder resolver ya que la dificultad principal es determinar la presión del aire en los puntos de la superficie considerada.

Espero al menos haberte aclarado un poco las ideas, ya que no he podido resolver tu problema, que es realmente complejo.

Salu2

[gdonoso94]

Re: Fuerza del aire sobre un spoiler del coche.

No busco una fórmula teórica, tenía claro desde un principio que era imposible :P. Muchas gracias por tu respuesta y a ver si alguien puede aportar un granito de arena más y poco a poco ir desarrollando este tema.

Un saludo!

[guibix]

Re: Fuerza del aire sobre un spoiler del coche.

Hola gdonoso94,

No busco una fórmula teórica, tenía claro desde un principio que era imposible :P. Muchas gracias por tu respuesta y a ver si alguien puede aportar un granito de arena más y poco a poco ir desarrollando este tema.

No sé exactamente que es lo que buscas pero aquí dejo esto:

Como ya se ha dicho, la principal causa de la ruptura de piezas es la vibración y no las fuerzas "fijas". Para romper algo, solo hace falta una presión muy alta aunque dure poco tiempo. Puedes estar años aplicando una presión y no romper nada, pero con que apliques una presión suficiente por un solo momento ya lo rompes.

Luego si se rompe el spoiler por la fuerza del aire, lo hará en el momento en que se supere la fuerza de ruptura del spoiler. El desgaste puede ser una función de la fuerza de ruptura respecto del tiempo. Por el simple paso del tiempo (desgaste "natural") y/o por el estrés recibido por el uso (desgaste "inducido"), la fuerza de ruptura tenderá a bajar. Así se llega al punto que una fuerza/presión que antes se podía soportar, ahora rompe la pieza.

De todos modos, las fuerzas y presiones soportadas por las piezas por vibración son proporcionales (entre otras cosas) a la velocidad. Y la fuerza aerodinámica es proporcional al cuadrado de la velocidad. Esto significa que no sirve calcularlo a partir de la velocidad media, se tiene que tener en cuenta las velocidades máximas. Además, la función del desgaste debería tener en cuenta las velocidades alcanzadas a lo largo del tiempo.

Pero todo esto no es más que un artificio. Creo que la manera conceptual de entenderlo es por energías. Las colisiones continuadas con el aire y las vibraciones, no son perfectamente elásticas. Una parte de la energía absorbida puede ser calor que más tarde se disipa sin afectar a nada, pero una parte de la energía absorbida deforma las piezas cambiando la energía potencial interna de las moléculas. Esto hace que las propiedades aerodinámicas, elásticas y plásticas cambien con el tiempo. Si tenemos en cuenta que el diseño de cualquier pieza está pensado para maximizar su resistencia, no es de extrañar que cualquier deformación que se desvíe del diseño original tienda a hacer bajar su resistencia. Por no decir que además de bajar la resistencia de la pieza, puede afectar a la resistencia y rendimiento de otras piezas así como del sistema entero.

Saludos.

[gdonoso94]

Re: Fuerza del aire sobre un spoiler del coche.

Entonces se podría hablar de que la ruptura de la pieza se produce por una fuerza "infintita" en un intervalo de tiempo infinitamente pequeño, lo que viene siendo una percusión en dinámica de impulsiones, ¿no?

En realidad mi duda era saber cómo hallar la fuerza que se aplica sobre todo el spoiler las velocidades oscilan casi armónicamente entre 120 y 140 km/h, por ello tomé la media de esta velocidad, suponiendo que simplificaría el problema. Si el spoiler además tiene una ligera curvatura, ¿cómo se distribuiría la fuerza? Si tengo algo de tiempo subo un croquis de lo que quiero decir, por si alguien no lo entiende.

Gracias

[ZYpp]

Re: Fuerza del aire sobre un spoiler del coche.

Mejor con un croquis, sí.

En general, hay infinidad de cosas que han podido ocurrir. Me parece muy raro que haya roto, así porque sí. Debería estar diseñado para aguantar de sobra la fuerza y momento que ejerce el aire sobre él, así como para evitar vibraciones demasiado peligrosas.
En cuanto a cómo se produce la reacción aerodinámica sobre el spoiler creo que no tienes dudas (se ha hablado muchas veces sobre ello por aquí pero si no es así avisa), así que planteo un nuevo problema que me parece muy raro que ocurra en un coche, pero nunca se sabe: Podría ser que la reacción aerodinámica que ejerce el aire sobre el spoiler lo deforme, cambiando la "geometría del problema" y alterando la distribución de presiones. En cuanto desaparece la fuerza que hacía que el spoiler se deformase, el spoiler vuelve a su posición inicial (se comporta como un sólido elástico) y altera nuevamente la distribución de presiones. Se repite esto ad infinitum.
La idea de este problema es que ya no interesa, dado un sólido, conocer el campo de velocidades y presiones: Ahora tenemos una interacción sólido elástico - aire, donde hay que resolver conjuntamente todo.
Esto ocurre muchas veces con el desprendimiento de vórtices, que ejercen una fuerza más alta de lo normal pero de forma puntual, de manera que se deforma el spoiler y vuelve a su posición inicial. Si la frecuencia de desprendimiento de vórtices y la frecuencia natural del spoiler coinciden, el sistema entrará en resonancia y la amplitud del movimiento del spoiler aumentará hasta que rompa o hasta que la energía sea disipada por otro proceso.

Como siempre, más vale un vídeo que mil palabras, y aquí tenéis uno.

Saludos.

[gdonoso94]

Re: Fuerza del aire sobre un spoiler del coche.

Bueno, supongo que estaría alguna patilla partida de antes (mi padre seguro que algún golpe le ha dado, yo soy un gran conductor ). En resumen, viene siendo imposible deducir la fuerza que se ha aplicado sobre el spoiler durante el viaje.

Muchas gracias a todos.

P.D: Por cierto ZYpp, dudo que haya pasado lo del video, el spoiler no "corta" el aire si no que el aire golpea sobre la parte gruesa/ancha, no sé como definirlo, de éste.