13
oct
2016
TODO SOBRE NEUMÁTICOS II: CUESTIÓN DE AGARRE

Alguna vez os habéis preguntado por qué las ruedas de los coches son de caucho o por qué los equipos eligen unos compuestos de neumáticos y no otros para la disputa de un Gran Premio. Si queréis resolver esas dudas ya sabéis, seguid leyendo.     

En la anterior entrega de la serie centré el trabajo en analizar la estructura interna de los neumáticos. Todas las partes son importantes ya que confieren estabilidad y dureza a la cubierta pero la última destaca sobre el resto: la banda de rodadura. Esta capa de goma es el único elemento del neumático que está en contacto directo con el suelo, proporcionando la adherencia (agarre, grip) necesaria al coche, tanto en suelo seco como en mojado, de ahí su importancia. 

El agarre no es un valor estable, depende de una infinidad de factores como son la temperatura, el área de contacto, las condiciones del asfalto, la fuerza que ejerza el coche sobre las ruedas, etc., y se produce gracias a la fricción (rozamiento) que existe entre la superficie de la goma contra el suelo. La composición de la goma que forma la banda de rodadura es vital para el rendimiento futuro de la rueda. En la actualidad se emplea el caucho con base para el compuesto y se van añadiendo diferentes proporciones de carbón, sulfuro (azufre) y aceite para  modifican su dureza. Normalmente cuanto más aceite tenga, más blando será. 

La creencia general es vincular goma blanda con velocidad y eso no es del todo cierto. Si os pregunto ¿qué compuesto de neumático, blando o duro genera más agarre y permite ir al coche más rápido? Seguro que la mayoría habrá elegido el primero. En determinadas condiciones esa respuesta es la acertada  pero realmente no es siempre así. Dependiendo de la superficie sobre la que se circule un compuesto más duro puede generar mejores prestaciones que otro blando. Por tanto asociar de manera preconcebida dureza y agarre suele generar demasiados errores.

Decir que una goma blanda no tiene que ser obligatoriamente la que más agarre produce nos puede resultar chocante. Para saber por qué una goma genera más agarre que otra tendremos que mirar a su estructura molecular y revisar una serie de propiedades que hacen factible el agarre, entre ellos la viscoelasticidad. Vamos a verlo.

Viscoelasticidad

El caucho vulcanizado es un material viscoelástico. Un material viscoelástico es aquel que se presenta propiedades viscosas y elásticas a la vez. Pese a que los materiales viscoelásticos se pueden deforman bastante al aplicar una fuerza sobre ellos tienen la capacidad de recuperar su forma original cuando esa fuerza deja de ejercerse. Un ejemplo. Tenemos un maravilloso colchón fabricado con un material viscoelástico y nos tumbamos de lado para dormir la siesta. El peso hace que el material adopte la forma del cuerpo con facilidad. Una vez acabado el sueño reparador nos levantamos y el colchón permanece deformado un instante pero pasados unos segundos vuelve a su estado original, es decir, totalmente recto.

¿Qué pasa cuando la banda de rodadura se pone en contacto con el suelo? Exactamente lo mismo. Si viéramos con un microscopio la zona de contacto veríamos como la goma se deforma y adopta en parte el perfil de las irregularidades que hay en el asfalto. Una vez pasado el obstáculo la goma vuelve a su estado original. Esta sencilla pero maravillosa propiedad genera la mayor parte del poder de agarre de un neumático. Sin ella, la vida sería más complicada para todos.

El problema que tiene estos materiales es que al repetir muchas veces el ciclo no terminan de recuperarse del todo y quedan deformados, y lo sé por experiencia; tuve que cambiar el colchón hace poco por eso. Este inconveniente acarrea importantes quebraderos de cabeza a los equipos de F1 ya que es la base fundamental del deterioro del neumático, pero eso lo analizaré en la próxima entrega. 

Bien, de todo este ciclo el punto que nos interesa conocer mejor para entender el mecanismo que produce el agarre es el momento exacto donde el material se deforma para adaptarse a la superficie del asfalto. En ese instante entra en escena los tres mecanismos responsables de generan la fricción que permite el agarre: la adhesión, el desgaste y la histéresis. ¡Ya empezamos con las palabritas raras! Con lo bien que íbamos. No os preocupéis, voy a intentar aclararlo. Vamos por partes.

Adhesión

La adhesión es la unión física entre las superficies de dos cuerpos que por su naturaleza tienden a estar separados. Solo con la adhesión se obtiene la mayor parte de las fuerzas de fricción entre el neumático y el suelo. De no existir los vehículos patinarían, no podrían girar, acelerar o frenar.  

Esta unión se produce gracias a la actuación de  pequeñas fuerzas electromagnética que existe sobre las superficies de los objetos (Fuerzas de Van der Waals). Estamos hablando de fuerzas a escala atómica. Cada molécula, cada átomo que forma la superficie de un cuerpo puede generar fuerzas de atracción electromagnéticas. Cuando se aproximan y entran en contacto entre si dos objetos se crean lazos de unión entre las moléculas de las dos superficies. Estas fuerzas de atracción mutua  aparentemente débiles son las responsables de crear la adhesión. El mecanismo parece un poco lioso pero si os digo que es similar al que se produce cuando hay electricidad estática seguro que aclara bastante la cosa. 

 

Da igual el material que tengan las superficies (iguales o diferentes), da igual que sean sólidos, líquidos o gaseosos, siempre existen  fuerzas de adhesión. Eso sí, la cantidad de lazos de unión dependerá de una serie de factores. Se podrán crear más o menos, pero siempre se crearán. Cuando las superficies de contacto pertenecen a dos cuerpos sólidos, la adhesión se puede mejorar puliendo y aumentando la superficie de contacto. A mayor superficie mejor será adhesión ya que el número de los lazos de unión se multiplica debido a la gran cantidad de moléculas que hay en contacto. Tanto es así que dos piezas grandes de cristal perfectamente pulidas pueden unirse de manera inseparable simplemente al ponerse en contacto entre si sin necesidad de pegamento. 

Para romper las uniones tendremos que tirar de los objetos. La fuerza a administrar  será proporcional al número de uniones existentes. La cosa se complica si pretendemos que las dos superficies se desplacen entre si. La fuerza a emplear en este caso es muchísimo mayor y la conocemos como resistencia. 

Volviendo al caso que nos ocupa, la superficie del asfalto dista de ser similar a la encontrada en el vidrio. Es rugosa, áspera, con deformaciones, sobre todo si lo observamos al microscopio. Esto hace que haya poca superficie de unión si ponemos la goma de la rueda encima pero ahí entra en escena la viscoelasticidad. 

 

Como vemos en la gráfica superior, cuando se ejerce una fuerza vertical el caucho se adapta a las irregularidades de la carretera, aumentando el área de contacto. Más área en contacto implica mayor adhesión entre las moléculas de las superficies sometidas a fricción y por tanto el agarre aumenta. 

En ocasiones hay elementos externos que se interponen entre las dos superficies para dificultar la tarea de adhesión. Cuántas veces hemos escuchado decir a los entendidos que los coches no registran buenos tiempos debido a que la pista no está en su estado óptimo. Muchas, seguro. Esta frase típica de los viernes que suele ir asociado a la coletilla “mejorará a lo largo de los días” nos indica que la pista está sucia, llena de polvo, arena o aceite cuando se inaugura un nuevo trazado. Estos elementos interfieren en los  mecanismos que generan el agarre pero el que se lleva la palma es el agua. ¿Sabéis por qué los neumáticos agarran menos cuando el piso está mojado? Tiene mucho que ver todo lo explicado hasta ahora. 

Una superficie húmeda evita el contacto entre el caucho y la superficie del asfalto. El agua hace de barrera, impidiendo que se formen gran parte de los lazos de unión que vimos antes. Con la principal fuerza de fricción entre el neumático y el asfalto fuera de juego gana protagonismo el trabajo de agarre  creado  por la deformación del caucho, que veremos con más detenimiento luego pero el suelo mojado también bloquea en parte dicha acción. El agua rellena los huecos entre las irregularidades del asfalto. Si el hueco está lleno, el caucho no puede rellenarlo y por tanto no se deforma. Sin los dibujos de las ruedas que ayudan a evacuar el sobrante sería imposible que un coche circulara. Tanto el polvo como el aceite forman barreras similares a la creada por el agua de ahí que se reduzca el agarre cuando están presentes.    

Hemos visto que aumentar el área de contacto conlleva una mejora en los niveles de agarre. Hay otros factores que ayudan a conseguirlo como puede ser modificar los perfiles de las superficies, ajustar tanto la temperatura como la presión que se ejerza en el  contacto o variar las propiedades de los materiales. Parecería lógico pensar que cuánto más blando sea un compuesto mejor se adaptará a la formas rugosas del asfalto. Efectivamente, una goma blanda rellena mejor los huecos mejorando así el agarre del coche, pero no siempre es así. La temperatura tiene un factor vital ya que endurece o ablanda los compuestos pero la velocidad lo cambia todo. El movimiento es capaz de potenciar un  mecanismo que modifica los niveles de agarre de los compuestos, alejándolos un poco de la “lógica”. Ese mecanismo se conoce como histéresis. 

Histéresis

Como decía antes una goma blanda no tiene necesariamente que agarra más, ni correr menos, todo dependerá de la histéresis que tenga el compuesto. Pero ¿qué es la histéresis? Vamos a verlo.

Seguro que en alguna ocasión habéis jugado  con un muelle o una goma elástica. Más de una vez habréis comprobado que si  estiráis de los extremos del muelle éste se alarga. Si dejáis de ejercer la fuerza el muelle se encoge al instante para recupera su estado original de reposo. Este movimiento se produce gracias a las propiedades elásticas que tiene el objeto. 

Un material elástico, como puede ser el muelle devuelve prácticamente en su totalidad la energía que ha recibido después de haber sufrido una deformación, pero como hemos visto la goma que forma la banda de rodadura de una rueda no es un material elástico, es viscoelástico. ¿Qué diferencia hay? La diferencia está en el tiempo que tarda el material en volver a su estado original y sobre todo en la cantidad de energía que es capaz de devolver después de la deformación.

La histéresis es la tendencia que tiene un material por conservar una de sus propiedades en ausencia del estímulo que la ha generado. Traducido al cristiano: un material con alta histéresis, como es caso del caucho no devuelve toda la energía recibida al instante cuando es liberado de la fuerza que lo deforma; tiene un cierto retraso. Es más, no es capaz de devolver toda la energía recibida. La cantidad absorbida por el material es transformada principalmente en calor y en fuerza. ¡Ojo a este dato! Se transforma en calor. Esta propiedad tiene una gran importancia como veremos luego.   

El bote de una pelota es un claro ejemplo para “medir” los valores de histéresis de los materiales. Imaginaros dos pelotas: una de baloncesto y otra de fútbol. Como bien sabéis la primera bota mucho más que la segunda a pesar de que las dos tienen más o menos la misma masa y se debe a que tienen valores de histéresis distintos. El material de la pelota de basket devuelve mucha de la energía recibida cuando la impulsamos contra el suelo. Se hace así para que sea más cómodo ir corriendo y botando a la vez con ella. Si devuelve mucha energía quiere decir absorbe poca y eso es un signo de tener una histéresis baja. 

La pelota de fútbol no tiene que botar mucho. Si lo hiciera se descontrolaría con facilidad  y eso no es deseable; debe de ser manejable con los pies. Por esa razón los fabricantes  las diseñan con una histéresis  superior a para que absorba más energía y se controle mejor. Como vemos intensidad de bote e histéresis son factores opuestos. A más bote menos histéresis y viceversa.

A estas alturas muchos se estarán preguntado ¿y todo este rollo para qué sirve? Tranquilos, llegamos al punto que nos interesa. 

Fricción por deformación del caucho  

Vimos antes que el caucho cuando se pone en contacto con una superficie lisa (vidrio se utiliza a menudo en las pruebas) genera fuerzas de fricción principalmente creada por la  adhesión pero cuando lo hace sobre superficie áspera entra en juego otro  mecanismo: la deformación. A este tipo de agarre también se le llama adhesión mecánica

Cuando se ejerce una fuerza vertical el caucho se adapta a las irregularidades de la carretera, aumentando el área de contacto pero no siempre se dan esas condiciones. Cuando un F1 circula por una recta sus dispositivos aerodinámicos ejercen mucha  fuerza vertical sobre las ruedas  pero cuando trazan una curva la cosa se complica. En esa parte de la pista actúan dos fuerzas sobre las ruedas: una vertical que empuja hacia abajo (en la imagen de abajo es el peso, en un F1 es la suma del peso y la carga aerodinámica) y otra horizontal apunta al exterior de la curva (fuerza centrífuga). 

 

En ambos casos la fuerza que se ejerce contra el suelo deforma la superficie del caucho para adaptarse a las asperezas del terreno pero como ya sabéis el material tarda un cierto tiempo en hacerlo. Es un instante pero lo suficiente para que el caucho se adapte antes a una parte de las irregularidades que a otras. 

Para que sea más fácil asimilar el concepto voy a emplear el ejemplo de dos bloque de caucho que tienen la misma dureza pero con diferentes valores de histéresis. Hay que tener en cuenta un dato muy importante: este mecanismo solo actúa cuando existe deslizamiento entre las dos superficies. De no existir, la histéresis no intervendría.  


En la imagen  de arriba vemos un instante en el movimiento de un bloque de caucho con valores altos de histéresis (poco elástico) deslizándose horizontalmente sobre un suelo rugoso al que se le aplica una fuerza o carga vertical. La superficie del caucho choca contra las crestas de las irregularidades y empieza a adaptarse a ellas. Como tarda un poco en hacerlo, el material no tiene el tiempo suficiente para terminar de completar la deformación debido al retardo del material, y sólo alcanza a realizar una parte antes de que el bloque termine desplazándose para iniciar el ciclo.  Si la carga vertical es mayor la deformación también lo será (línea en cursiva en el esquema) pero siguiendo las mismas reglas.

Este desfase entre causa (presión) 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 generando una distribución de fuerzas orientadas en sentido contrario al deslizamiento. 

Dicho en cristiano, el agarre es mayor debido a que las fuerzas que se oponen al sentido de la marcha son también mayores; el principio de acción-reacción hace el resto. ¿Lo recordáis? Sí hombre, aquél que decía que todo cuerpo que ejerce una fuerza sobre otro experimenta una fuerza de igual intensidad en la misma dirección pero en sentido contrario. Gracias a este principio aviones y cohetes vuelan, podemos mover objetos, los futbolistas meten goles, etc.

Si los valores de histéresis son bajos (muy elástico) el material no se adaptará con facilidad a las irregularidades del asfalto y si lo hace recupera su forma con mucha rapidez tras la compresión. Sí, intenta rellenar los huecos debido a la carga vertical sometida pero lo hace sobre las dos caras de la aspereza a la vez. Esto hace que las fuerzas ejercidas sobre los dos lados sean parecidas y se contrarresten entre si ya que no hay una que predomine sobre la otra.  En estas condiciones de deslizamiento el agarre será menor. 

 

Como siempre hay muchos factores que intervienen en el proceso. Hemos visto que uno de ellos es la carga. Otro sería la velocidad de deslizamiento. No es lo mismo un coche circulando  a 250 Km/h por una curva que a 100 Km/h, las fuerzas centrífugas serán diferentes y por tanto los niveles de deslizamiento también.    

Viendo todos estos datos queda claro que la mejor manera de conseguir niveles de agarre altos es utilizar compuestos que sean blandos y con una histéresis alta, y si se produce un poco de deslizamiento o un ligero patinaje de la rueda, mejor que mejor. Los neumáticos de competición reúnen estas características pero como suele ocurrir nada es bonito y hermoso, siempre hay  inconvenientes.

La temperatura es uno de ellos. Vimos antes que un material viscoelástico  no era capaz de devolver toda la energía recibida ya que una parte era transformada en calor. En cada giro, la rueda se aplasta contra el asfalto, se deforma, devuelve  parte de la energía creando fuerzas de tracción  y la parte que absorbe calienta la banda de rodadura. Si los ingenieros no son capaces de controlar esa creación de calor se pueden encontrar con coches que abrasen la superficie de sus ruedas o que no sean capaces de alcanzar la temperatura de trabajo.  

Los compuestos con alta histéresis se deterioran con mucha facilidad y por tanto duran poco. Las constantes fuerzas de tracción que proporciona su deformación asimétrica  hacen que surjan fisuras en el caucho que terminan desgastándolo.  Este factor no es demasiado importante en un neumático de competición debido a su vida útil limitada; incluso llega a ser beneficioso ya que el deterioro genera fuerzas de tracción por medio de los desgarros y el desgaste. La historia cambia si hablamos de compuestos para utilitarios donde la vida útil es larga. En este caso solo se pueden utilizar compuestos duros con niveles de histéresis bajos. 

Conclusiones.

Visto lo visto, queda claro que el agarre no es un valor estable y depende de muchos factores pero sobre todo de la fricción, la fuerza que lo genera. La suma de los tres mecanismos que producen la fricción (adhesión, deformación y desgaste) nos permitirá conocer su valor total.  

En valores absolutos una goma cuanto más blanda sea y mayor grado de histéresis tenga mejores niveles de agarre generará pero ¿quiere decir esto que esta combinación siempre es la más rápida? La respuesta es no.

Solo hay que meditar un poco y la solución se aclara por si sola. Si la combinación siempre genera más agarre ¿por qué los equipos no eligen como primera opción el ultra blando para la disputa de los Grandes Premios?  Por su rápido deterioro. De poco sirve un compuesto que te hace ser 6 seg. por vuelta más rápido que tus rivales si por las condiciones de la pista las destroza enseguida y tienes que entrar a cambiarlas pasados tres giros en una carrera de cincuenta.

Con los valores de la histéresis pasa algo similar. Tener alta histéresis ayuda de manera considerable a conseguir agarre en curvas, sobre todo si son rápidas ya en esas circunstancias las fuerzas de desplazamiento horizontales producidas por la fuerza centrífuga serán elevadas. En trazados como Suzuka, Silverstone esta propiedad vendrá genial ya que el número de este tipo de curvas es elevada  pero no sirve de nada en Monza donde prácticamente solo hay rectas. 

Aumentar el agarre mediante histéresis también trae un inconveniente asociado: un aumento en la resistencia a la rodadura. De hecho este fenómeno es el responsable de crear el 90% de dicha resistencia y eso afecta al consumo. Si la rueda agarra más, el motor tendrá que suministrar más energía para vencer la resistencia al giro de las ruedas y por tanto el consumo de combustible se dispara. Elegir neumáticos con menor resistencia a la rodadura (más duros) permitirá al vehículo gastar menos energía para moverse y consumirá menos. En monoplazas donde el consumo de motor es elevado, este factor hay que tenerlo muy en cuenta. 

Como vemos, los niveles de histéresis tienen gran importancia a la hora de valorar la respuesta al agarre del neumático. De hecho, según las características de la pista un compuesto duro con alta histéresis puede generar más agarre que otro blando con baja histéresis. Los ingenieros de neumáticos tiene que jugar con las cualidades de cada compuesto para poder elegir la mejor opción. Acertar o no te puede hacer ganar o preder carreras. En ocasiones puede suceder que un compuesto te haga ganar mucho en las curvas y luego se pierda  todo con creces en las rectas. También un consumo excesivo te puede impedir rendir al máximo durante gran parte de la carrera obligándote a reducir el ritmo   de ahí que sea necesario conocer las características de la pista para elegir el compuesto.Como veis no siempre la goma con más agarre es la más rápida.

 

En la actualidad las posibilidades de elección son muy limitadas. Hace años, cuando la competencia entre fabricantes de neumáticos estaba permitida los equipos podían disponer a su antojo de una gama "ilimitada" de compuestos. El todo a la carta ya es cosa del pasado. Hoy en día los equipos de F1 cuentan con una gama de cinco compuestos de seco que varían según su dureza y dos para mojado. 

Bueno, hasta aquí llegamos hoy. Como veis, he pasado de puntillas sobre la tracción por desgaste y realmente tiene mucha importancia. Le dedicaré el tiempo que se merece ya que, junto a la temperatura son los dos factores que producen la mayoría de los problemas que van asociado al desgaste de los neumático de competición. Será analizado en profundidad en la próxima entrega, pero eso será otra historia.

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