La posición del centro de gravedad: una aproximación intuitiva

  el 30 de June de 2012

Centro de gravedad

Es bien conocido que uno de los problemas de cualquier coche eléctrico es el peso de sus baterías. La relación entre la masa desplazada y la energía almacenada (densidad energética) es tremendamente desfavorable, hasta el punto de que es uno de los principales factores limitantes de su autonomía, junto con el coste económico que también implican. Pero esta gran masa que han de desplazar, aparte de suponer un lastre, tiene al menos una interesante contrapartida dinámica: ubicadas en el suelo y entre los dos ejes, las baterías consiguen acercar el centro de gravedad al mejor lugar posible.

Veamos qué es el centro de gravedad, de qué depende su ubicación y cuál es su influencia en el comportamiento de cualquier coche

Efectivamente, el mejor lugar para ubicar el centro de gravedad de un coche es en el punto medio entre las cuatro ruedas y lo más bajo posible. Pero veamos qué es el centro de gravedad, de qué depende su ubicación y cuál es su influencia en el comportamiento de cualquier coche, para entender mejor esta “baza oculta” de todo coche eléctrico.

Centro de gravedad: una definición

Centro de gravedad

Antes de la definición, una aclaración: el centro de gravedad y el centro de masas de cualquier objeto, en la superficie de la tierra, coinciden a efectos prácticos. Esto significa que al hablar de uno u otro, nos estamos refiriendo al mismo lugar geométrico, salvo en discusiones astronómicas. Veamos ahora una definición para acotar bien los términos.

Empezamos con la definición física, ineludible, para desgranar después su significado más práctico e intuitivo: “El centro de gravedad de un cuerpo es el punto respecto al cual las fuerzas que la gravedad ejerce sobre los diferentes puntos materiales que constituyen el cuerpo producen un momento resultante nulo”. Más de uno se ha quedado como estaba.

Si pudiésemos colgar el objeto de un cable imaginario anclado en ese punto, el objeto quedaría inmóvil

Una definición más intuitiva del centro de gravedad dice que el centro de gravedad de un cuerpo es el único punto que cumple el siguiente requisito: si pudiésemos colgar el objeto de un cable imaginario anclado en ese punto, el objeto quedaría inmóvil en cualquier posición en la que fuese abandonado, sin inclinarse ni girar hacia ningún sitio. Quedaría en perfecto equilibrio porque su distribución de masas (y pesos) alrededor del centro de gravedad está perfectamente equilibrada en todas direcciones.

Salvo en objetos planos, este experimento es casi imposible en la práctica, entre otras cosas porque el centro de gravedad está “por el medio” del cuerpo en cuestión y muchas veces no es ni siquiera un punto material del objeto, del que pudiésemos colgarlo, sino que está situado en el aire que contiene. Por ejemplo, el centro de gravedad de una pelota es su centro geométrico (que está en el medio del aire que contiene).

Centro de gravedad

El centro de gravedad de un coche está situado más o menos entre los asientos delanteros y a una altura aproximada entre la cadera y el ombligo de conductor y acompañante

El centro de gravedad de un coche (hablamos de un coche normal, entiéndase) está situado más o menos entre los asientos delanteros y a una altura aproximada entre la cadera y el ombligo de conductor y acompañante. Puede estar algo más hacia delante en coches con motor delantero y tracción delantera, por la acumulación de partes pesadas en el frontal, o algo más hacia atrás cuando la tracción o incluso el motor se llevan a la parte posterior.

Con respecto a la altura, lo que nos importa no es tanto la altura dentro del habitáculo, sino la altura con respecto al suelo en el que se apoyan las ruedas, es decir, la carretera (luego veremos el porqué). La altura con respecto al asfalto (la magnitud crítica) viene determinada antes que nada por la altura del propio coche (esto parece obvio) y, a partir de ahí, por la distribución vertical de las masas dentro del mismo. Cuanto más bajos estén los elementos pesados, tanto más bajo estará el centro de gravedad.

En este sentido, un todoterreno (da igual que no lo sea realmente, me refiero a la “forma de todoterreno”) representa la peor manera de distribuir las masas en un coche desde un punto de vista dinámico. La altura libre al suelo, siendo elevada, sube instantáneamente la cota del centro de gravedad, lo que introduce un problema de partida a la hora de acelerar, frenar y dar curvas. Este problema puede disimularse, pero no puede evitarse.

En el polo opuesto tendríamos un coche eléctrico, en el que un conjunto de baterías (de muy alta densidad) se sitúan justo en el fondo del coche, llevando el centro de gravedad a un punto muy cercano al suelo. Puesto que el motor eléctrico es muy pequeño y también va más o menos pegado al fondo del coche, en realidad no hay nada que contribuya a un reparto de masas alto, lo que resulta muy positivo por las razones que veremos a continuación.

Brevísimo apunte de física: momento de una fuerza respecto a un punto

Centro de gravedad

El momento de una fuerza con respecto a un punto es la magnitud de esa fuerza multiplicada por la distancia hasta ese punto

Si tomamos una jarra con un litro de agua en su interior y la sostenemos pegada al pecho, estaremos realizando un esfuerzo bastante pequeño. Si sostenemos esa misma jarra con el brazo totalmente extendido, lejos del cuerpo, el esfuerzo se multiplica. Si el peso de la jarra no ha cambiado, ¿qué es lo que ha cambiado?

Lo que ha cambiado es el momento de esa fuerza (el peso de la jarra) con respecto al punto de apoyo, que es el hombro (obviamos el resto del cuerpo para no liar el ejemplo). El momento de una fuerza con respecto a un punto es la magnitud de esa fuerza multiplicada por la distancia (medida perpendicularmente) hasta ese punto. Esa distancia multiplica el efecto de la fuerza y genera un par de giro.

Cuando la jarra está pegada a nuestro cuerpo, el momento de la fuerza con respecto al tronco podemos considerar que es más o menos cero. El único esfuerzo que debemos hacer es soportar un kilogramo más de masa añadido al peso de nuestro propio cuerpo, lo que no es mucho.

La distancia hace de palanca y multiplica el efecto giratorio de la fuerza

Cuando la jarra está alejada del tronco, con el brazo extendido, tenemos que hacer dos cosas: por un lado, sostener ese mismo peso para evitar que se caiga (igual que antes) y por otro mantenerlo firme para que no gire en torno al hombro, es decir, que el brazo no baje en trayectoria circular hasta alinearse con el tronco. El “empeño” de la jarra en caerse lo llamamos peso. El “empeño” en girar lo llamamos par de giro y es proporcional al peso y a la distancia que lo separa del eje de giro, en este caso la longitud del brazo hasta la articulación del hombro. La distancia hace de palanca y multiplica el efecto giratorio de la fuerza.

Volvamos ahora a los coches y su centro de gravedad con esto en mente.

Implicaciones dinámicas de la posición del centro de gravedad

Cuando un coche acelera, es decir, cuando aumenta su velocidad, la disminuye (frenando) o da una curva (aceleración centrípeta) el punto de aplicación de la fuerza que lo impulsa es el punto de contacto de los neumáticos con el asfalto. Es en el plano del asfalto donde todo sucede, y es la masa del coche (su inercia) la que debemos vencer lo más fácilmente posible para que sea ágil.

Si el punto de aplicación de la fuerza estuviese por encima del coche (como en un telesilla), el sentido de giro sería el contrario y el morro miraría ligeramente hacia abajo al arrancar

Si el centro de gravedad está muy alto, se produce una situación que tiene mucho que ver con la jarra de agua alejada del cuerpo, aunque en este caso los planos son horizontales y no verticales. Los neumáticos tienen que acelerar la masa del coche, pero al hacerlo desde un punto de aplicación que está precisamente en el suelo, no alineado con la masa a mover, se generan diferentes pares de giro que habrá que controlar y vencer.

Centro de gravedad

Cuando el coche acelera desde parado, tiende a hundir la suspensión trasera. La razón es que el punto de aplicación de la fuerza está por debajo del centro de gravedad y la masa del coche tiende a girar en torno a ese punto de aplicación de la fuerza aceleradora. Si el punto de aplicación de la fuerza estuviese por encima del coche (como en un telesilla), el sentido de giro sería el contrario y el morro miraría ligeramente hacia abajo al arrancar (como sucede al subirse al telesilla). Al frenar, sucede todo lo contrario, por la misma razón.

Todos estos pares de giro que el coche ha de vencer son tanto mayores cuanto más alejado esté el centro de gravedad del suelo

Asimismo, cuando el coche da una curva, los neumáticos imprimen una aceleración lateral que le obliga a cambiar de trayectoria. La fuerza se aplica en el suelo y la masa, que está más arriba, tiende a girar en torno al punto de aplicación, hundiendo la suspensión del lado exterior a la curva. De nuevo, si el coche pendiese de un cable, sería la parte interior a la curva la que bajaría, pues la masa tendería a rotar en el sentido contrario.

Todos estos pares de giro que el coche ha de vencer son tanto mayores cuanto más alejado esté el centro de gravedad del suelo, e implicarán un esfuerzo adicional para los neumáticos, las suspensiones y el chasis, que han de mantenerlo con una horizontalidad razonable.

Algunos ejemplos prácticos

La posición del centro de gravedad es la principal razón por la que muchos SUV incorporan una suspensión bastante más dura de lo que cabría esperar, no ya en un vehículo de campo (cosa que no son), sino en un familiar orientado a una conducción tranquila. La razón es evitar balanceos y cabeceos que serían consustanciales a un reparto de masas tan desafortunado. También es la razón por la que situar mucho peso en el techo de cualquier coche no es una buena idea.

La posición del centro de gravedad también explica por qué los coches deportivos son tan bajos (además de motivos aerodinámicos), por qué los copilotos de rally se sientan casi pegados al suelo, por qué los atletas salen desde una posición muy pegada al suelo y con el cuerpo hacia delante, por qué los bases en baloncesto atacan y defienden agachados, por qué los gatos siempre caen de pie y un inacabable etcétera de ejemplos dinámicos.

La presencia de un gran pack de baterías en el fondo del coche y entre los dos ejes, otorga a los coches eléctricos de una distribución de masas prácticamente inmejorable

En el vídeo anterior, un Nissan Leaf consigue rodar en círculo generando una fuerza centrípeta de 0,96g con un simple cambio de neumáticos, quedando a escasa distancia de un Porsche 911 en cuanto a fuerza lateral se refiere.

Por tanto, y volviendo al origen del artículo, la presencia de un gran pack de baterías en el fondo del coche y entre los dos ejes, otorga a los coches eléctricos de una distribución de masas prácticamente inmejorable. Todo hace pensar que, en lo que respecta a comportamiento dinámico (agilidad y comportamiento en curva) deberían contar con una clara ventaja con respecto al coche tradicional gracias a esta importante baza oculta.

En fin, los coches se compran en estático (en una tienda) pero se usan en dinámico (en la carretera). Tenedlo en cuenta en la tienda.

Fotos: Roby Ferrari
Vídeo del Leaf (fuente): Autobloggreen
En Tecmovia: Enemigos de la eficiencia: la masa desplazada | Enemigos de la eficiencia: la resistencia aerodinámica

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