Vibraciones del aire en el coche.

[LEONTDI150]

Vibraciones del aire en el coche

23 de marzo de 2007
Javichu nos pregunta:

Buenas, Remo:
Tengo una consultilla a ver si me puedes responder al respecto.
Esto podría ser una preguntilla Trivial. ¿Cómo se llama y por qué se produce ese incómodo sonido en el coche, cuando uno de los pasajeros de los asientos traseros abre un poco la ventana? Es un ruido incomodísimo que te sacude la cabeza… Lo puedes evitar si se abre otra ventana, y da la casualidad de que, el pasajero que va en el asiento trasero no sufre ese incómodo ruido que se produce al abrir su ventana…
¡¡¡Dime que te ha pasado alguna vez!!!

Sí que me ha pasado, Javi. Más de una vez. Y supongo que a todo el mundo. Su nombre específico es “resonancia de cavidad”, pero sí intuyo que está muy relacionado con otro tema del que ya hemos hablado en CPI: la resonancia.
Como sabes, cuando el aire rodea un obstáculo en un día de viento no suele pasar a su alrededor suavemente sino que genera turbulencias y vórtices, llamados “vórtices de Von Karman”. Los drapeos de una bandera al viento nos pueden dar una idea de la existencia de estos vórtices. Rescato un par de imágenes del artículo de resonancia en el que introducíamos estos conceptos:

Vórtices de Von Karman Pues bien: Cuando vas en el coche con la ventanilla abierta, estos vórtices se te cuelan en el coche por la ventanilla. Los vórtices son zonas de alta presión seguidas de baja presión, cambiando en el tiempo. A muy baja velocidad, probablemente no puedan formarse, pues el aire está en algo muy parecido a un flujo laminar, lo que quiere decir que fluye suavemente sin hacer turbulencias. Pero según vas ganando velocidad, aparecen más vórtices y de mayor intensidad.
Y si llevas una ventanilla abierta, el aire que rodea el borde del parabrisas y entra por la ventanilla estará oscilando con esos vórtices. Haz la prueba: saca la mano por la ventanilla en un coche en marcha (niños, vosotros no lo hagáis) y verás que en un día sin viento más o menos notas que el viento es constante en tu mano. Sin embargo, pon la mano en el marco de la ventanilla y verás que el aire te entra a rachas bastante rápidas. Ahí tienes tus vórtices. Si sacas una mano y pones la otra detrás (con precaución para no caerte por la ventanilla), en la mano de atrás también notarás los vórtices de aire provocados por la mano de delante.
Las variaciones de presión del aire también son conocidas como “sonido”. Y se propagan a la velocidad del sonido (~333 m/s en aire en condiciones normales). Dentro del habitáculo de un coche, si tuviéramos un barómetro (sensor de presión) muy preciso y muy rápido, veríamos como la presión sube y baja un poco de manera errática cuando vamos con una ventanilla abierta, por culpa de las rachas de aire que entran y salen del coche. Y aquí viene un dato interesante: Cuando el aire entra en una cavidad, como el interior de nuestro coche, la presión en el interior crece. Si dejamos de forzar la entrada de aire, como el interior está a mayor presión que el exterior, el habitáculo perderá algo de aire para igualar presiones con el exterior, pero se pasará un poco por, llamémoslo, inercia, y acabará con una presión levemente menor que la del exterior. Entonces el aire del exterior vuelve a entrar para compensar. Obtenemos un movimiento oscilatorio en la presión del aire, que se va atenuando. Cada cavidad tiene una frecuencia determinada a la que esto pasa, que depende de varios factores: la velocidad del sonido, el volumen de la cavidad, el área del entrada del aire y la distancia que separa la entrada del interior.
Cuando la presión del coche sube por el aumento de aire que entra, tardará en bajar de nuevo lo mismo que la presión tarde en recorrer el coche por dentro desde la ventanilla hasta la parte de atrás y vuelta. Lo suele hacer a la velocidad del sonido, por lo que el tiempo suele rondar la centésima de segundo (suponiendo un habitáculo de un poco menos de dos metros de largo)
Pero a cierta velocidad, que dependerá del tamaño del coche y otros factores, ocurre la resonancia: cuando la presión en el interior del coche está subiendo por culpa de una racha, entra la siguiente racha, y cuando ésta está provocando otra subida de presión, entra la siguiente. Las rachas entran al ritmo justo para amontonarse en el interior del coche. Resultado: Variaciones muy grandes de la presión, que nuestro cuerpo percibe como sonidos. Son lo suficientemente grandes como para provocar vibraciones, y desde luego resultan molestas. Para hacer que desaparezcan, podemos:
1.- Cerrar la ventanilla, pues así dejan de entrar los vórtices.
2.- Abrir otra ventanilla, o abrir/cerrar más tu ventanilla, aunque no siempre funciona, para que la geometría del hueco por el que se cuela el aire cambie y tal vez modifique la intensidad de entrada de las rachas y no lleguen a apelotonarse.
3.- Cambiar la velocidad del coche.
No siempre les sucede a los de delante. A veces, la vibración puede sentirse en todo el habitáculo y otras veces son sólo los de detrás los que notan la molesta vibración. Este problema es bien conocido por los fabricantes de coches, que lo tienen en cuenta en las fases de diseño y prototipado de los nuevos modelos. El problema es que un fluido turbulento es muy difícil de predecir o simular, y si las pruebas que se hacen en un prototipo requieren algún cambio, supone un coste demasiado elevado porque supone volver a la fase de diseño y reprototipar. ¿Y qué se hace entonces? Pues un poco de todo. Se simula y se hacen ensayos, lo más pronto posible dentro del proceso de producción del coche, para que si aparece una resonancia fuerte se pueda corregir:
Simulación del aire que se cuela por el techo solar de un coche. Si se añade un deflector que cambie la trayectoria del aire se elimina una resonancia que sin duda sería bastante molesta de unos 20 Hz de frecuencia. Simplificando un poco las cosas, que es algo que a los físicos nos encanta hacer (…sea una vaca esférica…), podemos averiguar la frecuencia a la que resonará nuestro coche, si lo asimilamos a un Resonador de Helmholtz , que es, básicamente, un silbato Dependiendo del volumen del habitáculo, de la velocidad del sonido, del área de la ventanilla abierta y del grosor de la puerta del coche podemos calcular, grosso modo, la frecuencia de resonancia. Cuando me ha pasado alguna vez, más o menos la frecuencia estaba en 10 Hz, así a ojo (o a oído). Metan los datos en el simulador y comprueben si las suyas les salen parecidas, estimados lectores.
Más o menos es eso. Por supuesto, el problema real se complica porque el aire disipa energía, es turbulento, el flujo exterior del aire no es constante… Hay muchos factores que hacen difícil cuantificar este efecto. Pero lo básico, que es una resonancia de cavidad, eso sí lo sabemos. Como CPIada, a mí me basta