El Muro de MotorTime | Técnica de neumáticos de competición

Montaje de Laura Gómez | MotorTime

Soy Diego, ex ingeniero de F1 y os hablaré de detalles técnicos que he ido conociendo en mi recorrido en esta competición. Para empezar con mi aportación en MotorTime comenzaré con un primer capítulo sobre neumáticos.

Los neumáticos están compuestos de una gran variedad de materiales, que incluyen aceros, polímeros, cauchos, keblar, fibras textiles… Muchos de ellos con comportamientos no lineales en función de la temperatura, presión, frecuencia, excitaciones … Estos materiales de comportamientos no lineales van a tener una gran importancia en el rendimiento de los vehículos de competición.

Vamos a empezar a hablar del neumático en su banda de rodadura. La banda de rodadura es la “goma” en contacto con el asfalto. Es lo que hace la adherencia, la que define la duración del neumático, la usura, la resistencia … Esta “goma” es un compuesto visco elástico a base de caucho. Este caucho es un hidrocarburo elastómero con cadenas de carbono e hidrógeno de gran longitud y flexibilidad. Sus fuerzas intermoleculares son débiles y con algunos enlaces ocasionales. No hay uniones polares y la atracción intermolecular queda limitada a las fuerzas de van der Waals, es decir, enlaces débiles. Este tipo de estructura está formada por cadenas enlazadas que confieren las propiedades elásticas. Si se aplica una fuerza, se deforma y tras liberarla, vuelve a su estructura inicial; siempre y cuando no se sobre pase el límite que rompa las cadenas. Esto nos trae que según las fuerzas que estén actuando sobre las cadenas, o la energía aplicada a sus enlaces la estructura cambiará, y por tanto sus propiedades.

Para ver cómo funciona el caucho haremos como si fuese un muelle con un amortiguador en paralelo.

 

Esquema

 

El comportamiento del muelle viene definido por una ley linear en la que Fm = Kx, donde la Fm = fuerza aplicada, K una constante para cada muelle y x la distancia desplazada

El comportamiento del amortiguador viene definido por Fa = cv, donde en este caso Fa es la fuerza, v la velocidad y c un coeficiente propio de cada amortiguador. Hablando en términos diferenciales, que para nuestro estudio es más interesante, sustituiremos a velocidad, v, por dx/dt, es decir, la variación del espacio en el tiempo (definición de velocidad)

Esta variación del espacio en el tiempo (velocidad) nos indica que cuanto más veloz se aplica la fuerza, la reacción del amortiguador, Fa, es mayor. Por poner un ejemplo de similitud (no necesariamente seguido por las mismas fórmulas, pero aceptable como ejemplo) que conocemos todos. Cuando se lanza un objeto contra el agua, éste penetra en ella, pero si se lanza muy velozmente, éste puede rebotar. Es el ejemplo típico de la piedra que a cierto ángulo y con gran velocidad, en vez de hundirse rápidamente, rebota. Otro ejemplo es el del esquiador acuático que cuando es arrastrado a gran velocidad y cae no se hunde, sino que rebota, porque en ese caso la velocidad es tal que el agua no amortigua, sino que se hace más “rígida”. En caso de un amortiguador si se aplica una fuerza lentamente, este amortigua y se desplaza lentamente, pero si es muy rígida se endurece y se bloquea, haciendo que, por ejemplo, un vehículo salte al coger un bache a gran velocidad.

En el caso del caucho es igual, si se aplica la fuerza lentamente éste se deforma y amortigua el impacto, por su componente amortiguación. Pero si la aplicación de la misma fuerza es muy veloz, el caucho responde de forma rígida.

El funcionamiento final es la suma de los dos, muelle y amortiguador en paralelo. El amortiguador absorbe el impacto y el muelle lo devuelve a su forma original.

Entonces analicemos el movimiento más simple de la rueda, esto es cuando gira.

Una masa de la rueda toca el asfalto, y luego prosigue su movimiento de rotación a lo largo de la vuelta, de forma que tras una vuelta vuelve a contactar con el suelo. Si la velocidad es lo suficientemente baja, la fuerza correspondiente al “amortiguador” Fa es muy baja, dx/dt casi 0, y el caucho trabaja como un muelle, es decir, recupera su posición y forma (con ciertas vibraciones como lo haría cualquier muelle). Pero si la velocidad del coche y por lo tanto de la rueda es muy alta, el componente dx/dt es muy alto y por lo tanto la fuerza del amortiguador Fa también lo es. En este caso el caucho se pone más rígido.

¿Qué sucede? pues que a velocidades bajas el caucho se comporta de forma elástica y a altas se comporta de forma rígida.

Como hemos dicho al principio, la estructura del caucho cambia según las acciones que le afecten, con lo que la estructura del caucho es distinta cuando entra en contacto con el asfalto según la velocidad.

Si hablamos de la tribología, que es la ciencia que estudia la fricción, lubricación y contacto entre dos cuerpos; la fuerza de rozamiento entre dos cuerpos es proporcional a µ; donde µ es un coeficiente constante para los dos cuerpos según sus estructuras.

Si como hemos dicho la estructura del caucho cambia y según lo explicado anteriormente, cambia según la velocidad; tenemos que, dependiendo de la velocidad del coche el µ de la rueda cambia. Esto es que, en una misma recta, a unos 50Km/h el coeficiente de rozamiento del F1 es distinto que a 300Km/h. a todo esto hay que añadirle las fuerzas de la aerodinámica, pero eso será otro capítulo.

Nos quedamos hoy solo con este dato, nuevo para muchos y es que: El coeficiente de rozamiento del caucho, µ, y por lo tanto de la rueda, no es igual, para una misma rueda, según sea su velocidad. Por lo tanto, en una misma recta o en una curva desde principio a final la variación del µ es, para un F1 importante.

Más adelante veremos más factores que hacen cambiar el µ, y añadiremos las fuerzas. Esto empieza a dar una idea de lo complejo que es entender y dominar la adherencia y desgaste de las ruedas.

Para finalizar diremos que hay 3 estados. Uno correspondiente a la zona elástica, otro llamado el de transición y otro el de zona “rígida” o de comportamiento frágil. El máximo coeficiente de rozamiento se alcanza en la zona de transición.

El diseño de la rueda puede tener una zona de altísima adherencia, en un pequeño rango de frecuencia, o menor adherencia en una zona de frecuencia más alta. Esto hará que si queremos mucha adherencia será en una zona muy precisa y difícil de alcanzar. He ahí la dificultad del compromiso.

 

Espero les haya gustado y sigan leyendo en las próximas publicaciones en las que seguiremos, por el momento, hablando de ruedas.

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