Fuerzas de rozamiento.
La fuerza de rozamiento es aquella que se opone al movimiento de un cuerpo, generada por el rozamiento entre éste y la superficie con la que se encuentra en contacto. Existen dos fuerzas de rozamiento: la estática y la dinámica. Ambas se pueden entender con el gráfico siguiente:
Ft: es la suma de las fuerzas que actúan en vertical sobre el cuerpo (peso + fuerzas aerodinámicas).
N: Es la normal generada perpendicular a la superficie y de igual valor que Ft.
Fr: Fuerza de rozamiento igual a: Fr = N x µ (donde µ es el coeficiente de rozamiento del que ya hemos hablado).
Fa: Fuerza aplicada para generar el movimiento.
Si la Fa es igual o menor que la Fr, el cuerpo permanece en reposo. Para iniciar el movimiento hay que conseguir que Fa sea superior a Fr. Una vez superada la Fr, el cuerpo se pone en movimiento y la fuerza de rozamiento disminuye ligeramente y esta es la fuerza de rozamiento dinámica. Por eso una vez existe movimiento es más fácil el deslizamiento. Esto es así en cualquier dirección del movimiento. Por esta razón cuando el vehículo comienza a derrapar es más fácil que siga derrapando. Así cuando se acelera y la rueda derrapa, seguir derrapando es más fácil.
Del mismo modo cuando se pierde el control lateral por sobrepasar la fuerza de adherencia lateral (que inicialmente es la fuerza estática ya que en dirección lateral no derrapa) , el vehículo tiende a salir más fácilmente (fuerza de rozamiento dinámica menor, una vez iniciado el movimiento lateral. Ocurre igual con la suma de ambos efectos, si se derrapa por aceleración, esos neumáticos tenderán a irse lateralmente más fácilmente. Igual ocurre con las frenadas, una vez bloqueada la rueda y con esta en movimiento, resulta más sencillo perder el control en cualquier dirección.
Aquí es donde interviene el piloto con correcciones para contrarrestar los efectos de dichas fuerzas.
Pero, en ocasiones, el coche derrapa y sin actuación aparente ninguna, el monoplaza vuelve a recuperar la adherencia. Esto que se ve en muchas curvas sucede porque la fuerza que origina el movimiento disminuye (corrección del piloto, cambio de condiciones…) desciende su valor y vuelve a la estabilidad. También sucede porque la fuerza de rozamiento disminuye la velocidad del coche, pero esto se verá en dinámica del vehículo.
Si vemos el mismo esquema desde la parte superior:
Podemos definir un círculo de diámetro igual a Fr, que quiere decir que en cualquier dirección que apliquemos la fuerza Fa, el valor de Fr es el mismo. Esto que es así para la mayoría de los materiales, con las ruedas no sucede.
En el caso de los neumáticos el esquema (visto desde arriba) sería el siguiente:
Existe una elipse en vez de un círculo, cuyo eje mayor se sitúa el valor de la fuerza máxima en dirección del movimiento, y en el eje menor la fuerza de rozamiento transversal. Esto quiere decir que la adherencia para tracción o frenado es superior a la de la adherencia a salirse de una curva.
Si se hace una composición de movimiento tradicional, es decir una suma de fuerzas:
Observamos que la fuerza resultante esta fuera de la elipse. Si como hemos visto, para no perder la adherencia es necesario estar por debajo de los valores máximos, en caso de aplicar la fuerza máxima de aceleración (o frenado) no se puede girar. O, al contrario, si estamos girando al máximo de la capacidad, un acelerón nos saca de la zona de adherencia.
Esto da mucho juego para entender el diseño de los coches y técnicas de conducción.
Si venimos, por ejemplo, a gran velocidad y frenamos para entrar en curva, podemos llegar al instante inicial de giro con la máxima fuerza que nos permite la fuerza de rozamiento longitudinal. Si en ese momento continuamos dicha fuerza y giramos; salimos de la elipse de fuerzas de rozamiento, añadiendo una componente horizontal; y por lo tanto el coche se sale de la curva. Por eso hay que calcular la frenada para que, al entrar en la curva, e ir añadiendo fuerza lateral, tengamos que ir quitando la longitudinal. Lo que quiere decir no frenar en curva. Pero se podría frenar un poco en función del giro de la rueda. He aquí la técnica de conducción.
En vehículos de calle todos hemos experimentado como se puede (dentro de límites) frenar en curvas. Todo esto es posible porque si llevamos una conducción prudente nunca estaremos fuera de la elipse de seguridad.
Lo mismo sucede con la aceleración, hasta que no se sale de la curva no se puede pisar a fondo. Por ello hay que ir acelerando según se endereza la dirección. Aquí entra otro factor de diseño. Si el vehículo es de tracción delantera, es más complicado acelerar, ya que es la misma rueda la que ha de soportar tracción y giro. Aquí es más conveniente llevar tracción trasera o propulsión.
Otro detalle de diseño es la tracción total. En línea recta la tracción a las 4 ruedas es mejor pues se reparten las fuerzas y no derrapa. Pero en curvas entra la solicitación de las ruedas delanteras, que están siendo más solicitadas. En muchos casos se ponen tracción a los 4 neumáticos con repartos de 60-40% o 80-20%. Una vez más vemos que no hay solución mejor para todos los casos. En F1 solo hay propulsión, pero en otras competiciones, dependiendo del circuito puede venir mejor un reparto u otro; e incluso 100 – 0 %.
Continuaremos con más detalles de diseño en otras exposiciones, por ahora nos quedamos con estos conceptos básicos que espero hayan servido.
Estas explicaciones son complementarias con la formación técnica de jóvenes estudiantes de bachillerato además de para aficionados a la F1. Muy interesante.