Adherencia 3

El Neumático

Factores que afectan el agarre

El Ambiente: 

Además de la adherencia específica ofrecida por cada modelo de neumático a una temperatura determinada, cabe resaltar que la adherencia también depende de la superficie de contacto con el suelo y del estado del pavimento sobre la cual se circula. 

Mu: Coeficiente medio de adherencia del neumático para un tipo de superficie

Cuanto mayor sea la superficie de contacto entre el neumático y el pavimento, mayor será la adherencia. 

Cuando un neumático rueda sobre asfalto seco, el contacto entre la banda de rodadura y el pavimento se produce en toda la superficie de la huella. 

Cuando lo hace sobre asfalto lo suficientemente mojado como para que exista una película de agua sobre él, es necesario que los canales tallados sobre el neumático evacuen el agua hacia los laterales. 

Evacuación de agua hacia los laterales

Pero esto no es un proceso instantáneo ni que se produzca de manera homogénea a lo largo de la huella. 

Es posible distinguir así tres distintas zonas, caracterizadas por la cantidad de agua que se ha logrado evacuar: La primera de ellas (zona A en la figura de abajo) se encuentra en el frontal de la huella, donde el neumático acaba de entrar en contacto con la película de agua y por tanto el volumen de agua evacuado es muy reducido. 

El espesor es todavía lo suficientemente grande como para que no se produzca contacto alguno entre la rueda y el asfalto, por lo que la adherencia proporcionada por esta zona es prácticamente nula. 

En la zona B el espesor de la película de agua se ha reducido lo suficiente como para que se inicie un leve contacto entre las irregularidades más prominentes del asfalto y la superficie de la banda de rodadura. 

Se empieza a generar fricción, pero muy lejos de los valores que proporcionaría un contacto sobre asfalto seco. 

Finalmente, si la capacidad de evacuación de agua es suficiente, en la zona C de la huella se logrará un contacto franco, proporcionando un agarre cercano al que se daría sobre asfalto seco.

Únicamente en la parte trasera de la huella participan los dos mecanismos principales de generación de fricción (adhesión e histéresis). En la región intermedia apenas hay contacto directo entre superficies, por lo que sólo la histéresis puede proporcionar algo de adherencia.

                                         

En competiciones en las que las condiciones climatológicas cambian, los  neumáticos se cambian por neumáticos para lluvia, estos pueden presentar una histéresis tan elevada que serían destruidos en pocas vueltas si fueran empleados a ritmo de carrera sobre asfalto seco.

• P Zero rojo superblando. Este neumático ofrece el máximo rendimiento y un agarre óptimo de inmediato, está hecho para circuitos lentos y revirados.
• P Zero amarillo blando. Es poco más de medio segundo por vuelta más lento que el superblando. Sin embargo, tiene un rango operativo elevado que lo hace apropiado para un amplísimo abanico de condiciones.
• P Zero blanco medio. Este neumático extremadamente versátil se adapta a todo tipo de condiciones de pista, particularmente cuando las características del circuito y del asfalto son variables. Tiene un rango operativo más bajo, lo que hace que sea la elección ideal para circuitos que sean un poco menos exigentes o que tengan temperaturas ambientales más bajas. Es 0.8 segundos por vuelta más rápido que el duro.
• P Zero naranja duro. Este compuesto es ideal para los circuitos más duros y calurosos.
• Cinturato verde intermedio. Este neumático se adapta a situaciones de lluvia ligera o condiciones de pista mojada, dispersando 20 litros por segundo a altas velocidades.
• Cinturato azul. Es capaz de evacuar 60 litros de agua por segundo a la velocidad máxima: seis veces por encima de la capacidad de un vehículo de calle, que dispersa 10 litros por segundo a velocidades inferiores.

La proporción de huella ocupada por cada una de las tres regiones descritas depende de factores como el espesor de la película de agua presente en la calzada, la forma y profundidad de dibujo de la banda de rodadura, la presión de inflado y la velocidad a la que se circule.

Influencia de la profundidad de dibujo en la adherencia

Influencia de la profundidad de dibujo en la adherencia de frenado sobre mojado

Influencia de la presión de inflado en la adherencia

Influencia de la velocidad en la adherencia 

A mayor velocidad, menor es el tiempo disponible para acelerar y desplazar el agua hacia los laterales y, por tanto, mayor la superficie que “flota” sobre el agua y menor la que efectivamente proporciona agarre. 

Si la velocidad es excesiva y el neumático es incapaz de evacuar la suficiente cantidad de agua como para que se llegue a producir contacto con el suelo, toda la huella se encontrará cubierta por una película de agua (a la derecha en la figura de arriba), y el neumático ofrecerá una direccionalidad y capacidad de tracción prácticamente nulas.

Es lo que se conoce como “aquaplaning”. A mayor anchura del neumático, mayor será su tendencia a sufrir aquaplaning.

 Al ser la huella más ancha, la distancia que debe recorrer el agua hasta ser expulsada por los laterales también es mayor.

Recorrido del agua para ser expulsada

Adherencia

El Neumático

Como se puede definir a la adherencia?


La adherencia es la capacidad que tiene el neumático para responder, en cualquier circunstancia, a las solicitudes impuestas por el conductor, (frenada, motricidad, curvas).

Los principales   mecanismos físicos por los que un neumático proporciona su capacidad de adherencia con el suelo son dos: adhesión e histéresis,   ambos son descritos a continuación para el caso de una pieza cualquiera de caucho apoyada sobre una superficie rugosa.

Definamos adherencia, esta es la unión física de haberse pegado una cosa con otra (neumático + suelo). Sin esta condición los vehículos patinarían, sin poder girar, ni acelerar ni frenar. 

El segundo mecanismo por el que el neumático desarrolla su adherencia y que diferencia al caucho de otros muchos materiales es la histéresis. 

Un material provisto de propiedades elásticas devuelve completamente la energía que recibe, un muelle metálico, por ejemplo recupera su forma primitiva después de haber sufrido una deformación. 

Muelle

Un material histérico como el caucho no devuelve toda la energía recibida, sino que transforma una parte en calor y en fuerza. Cuando el neumático se aplasta al circular, se    produce  una penetración de las asperezas del suelo en la goma.  

La histeresis es el fenómeno de retraso (tiempo) de reacción mecánica que genera una fuerza horizontal,  que se opone a los intentos de deslizamiento de la goma, a esto es lo que llamamos adherencia y es el origen de la seguridad de la trayectoria del vehículo.

El fenómeno de histéresis está presente en el caucho por su comportamiento visco-elástico. 

El deslizamiento de una pieza de este material sobre una irregularidad en la superficie de contacto provoca una deformación. Cuando esta irregularidad se ha superado, el caucho tiende a recuperar su forma original y su contacto con la superficie pero, debido a la histéresis, no de manera inmediata.

Este desfase entre causa (presión o tensión aplicada) y efecto (deformación) hace que el neumático apoyado sobre una superficie rugosa como es el asfalto “abrace” las irregularidades de manera asimétrica, más por delante de esa rugosidad que por detrás, en el sentido de la marcha. 

Esto genera una distribución de presiones orientada en sentido contrario al deslizamiento, lo que contribuye a la fuerza de fricción total.

Como toda fuerza cuya dirección de aplicación no pase por el centro de rotación de un objeto, imprimirá al mismo un momento angular o par. En el caso del neumático, este par se opondrá a su rodadura, y deberá ser vencido por la energía proveniente del motor, incrementando por tanto el consumo de combustible y reduciendo la velocidad máxima.

Consumo de Combustible

La resistencia a la rodadura crece con la velocidad, pero de manera reducida siempre que no se sobrepase aquélla para la que el neumático ha sido diseñado. En tales circunstancias se puede cuantificar entre el 1 por ciento y 1,5 por ciento del peso que recae sobre ella.

La resistencia a la rodadura de un neumático no es propiamente una fricción. Una fuerza de fricción tiene dirección paralela a la superficie de contacto entre dos objetos; en el caso que nos ocupa, paralela al suelo. Por el contrario, la distribución de fuerzas responsable de la resistencia a la rodadura tienen una dirección normal al asfalto.

La histéresis tiene, por tanto, un efecto provechoso, la adherencia con el asfalto y uno negativo, la resistencia a la rodadura. En los denominados neumáticos ecológicos se emplean compuestos con una limitada histéresis, lo que reduce su resistencia a la rodadura pero, como contrapartida, también su adherencia.

Ancho del Neumático

El área de la superficie de contacto entre un neumático y el suelo queda definida en gran medida por la presión de inflado y el peso que recae sobre él.

Contacto con el pavimento

Sin embargo, cuanto mayor es la anchura de un neumático, más ancha y corta es la huella.

Como se verá al describir la resistencia a la rodadura, esto reduce la magnitud de la deformación que sufre el neumático en su contacto con el asfalto, lo que redunda en una distribución de presiones más homogénea y por tanto más propicia para desarrollar una mayor adherencia.

Resistencia al rodar

Esta menor deformación permite además el empleo de compuestos más blandos en neumáticos anchos. 

El grado de histéresis aceptable está limitado en última instancia por la generación de calor asociada a la deformación cíclica del caucho, que puede degradar las prestaciones del neumático y en última instancia destruirlo.

Deformación en contacto con el suelo

La disminución en la generación de calor debida a las menores deformaciones que sufre un neumático ancho permite el empleo de compuestos más blandos, que proporcionen una mayor adherencia.

Su composición química

Esta composición utiliza por supuesto una gran parte de caucho pero también numerosos compuestos o elementos químicos como el sílice por ejemplo. La composición exacta de los neumáticos constituye un secreto industrial que es guardado con recelo por los fabricantes.

Compuestos

Se habla en general de “gomas blandas” y de “gomas duras” para distinguir la adherencia de diferentes neumáticos. Una goma blanda ofrece intrínsecamente mayor adherencia que una goma dura.

Mezclas de compuestos

Su temperatura

A cada neumático, y por lo tanto a cada composición química, corresponde un rango de temperaturas de funcionamiento óptimo. 

Cada neumático ofrece una adherencia máxima a una temperatura, o en un rango de temperaturas determinada. 

Temperatura

La adherencia aumenta con la temperatura del neumático hasta una adherencia máxima y luego disminuye (a menudo al mismo tiempo que el neumático lo hace) si la temperatura continua aumentando.

Relación de la temperatura en la adherencia

La temperatura de un neumático aumenta en función de los esfuerzos mecánicos a los cuales está sometido: rodar, acelerar, frenar, tomar curvas son numerosas las acciones que aumentan la temperatura de un neumático. 

De forma general, los neumáticos blandos tienen una temperatura de funcionamiento más elevada que un neumático de goma dura y requieren más tiempo para aumentar su temperatura y por consiguiente aumentar su adherencia.

Cámara térmica