¿Por qué mi parachoques raspa al pasar rápido por un bache, pero no al ir despacio?

Question

Cuando conduzco mi coche sobre un bache o un cambio rápido de pendiente (de llano a cuesta arriba o de cuesta abajo a llano), si no conduzco despacio y el bache/cambio de pendiente es lo suficientemente grande, acabaré con el parachoques delantero arrastrándose por la carretera/el bache. Pero si voy despacio, no hay ese problema.

Yo esperaría que las ruedas siguieran tomando la misma trayectoria independientemente de la velocidad, por lo que la carrocería del coche también debería actuar igual independientemente. ¿Por qué hay diferencia cuando se cambia la velocidad? ¿Por qué el coche no se comporta de la misma manera independientemente?

Answer 1

Porque su coche tiene un suspensión.

Las ruedas de un coche no están unidas de forma rígida al chasis. Más bien, están sujetas con muelles y amortiguadores que permiten que las ruedas se muevan un poco en relación con el resto del coche. En general, esto es bueno, ya que significa que cuando las ruedas pasan por un pequeño bache en la carretera, el chasis no tiene que moverse necesariamente hacia arriba y hacia abajo, y así tú, el pasajero, tienes una conducción más suave. Pero si los baches son grandes y las velocidades son muy altas, este mismo efecto de "suavización" significa que el chasis del coche puede entrar en contacto con la superficie de la carretera.

En cuanto a por qué se produce este efecto de suavización: imagina que tienes, sobre una mesa, un bloque grande (que sustituye al coche), unido por un muelle (la suspensión) a un bloque más pequeño (la rueda.) Supón que la mesa es muy lisa, de modo que podemos ignorar la fricción entre la mesa y los bloques más pequeños. Si tiras del bloque pequeño de forma rápida y repentina para alejarlo del bloque más grande, el muelle se estira mucho y el bloque grande no se moverá mucho: tiene mucha inercia, por lo que no puede acelerar muy rápidamente. Es el equivalente a pasar por un bache o un bache a gran velocidad: la rueda se mueve repentinamente hacia arriba o hacia abajo en relación con el chasis, pero el chasis no se mueve mucho hacia arriba o hacia abajo.

Pero si se aleja el bloque pequeño del grande lentamente, entonces el bloque grande seguirá al pequeño, mientras que el muelle no se estira mucho. En este caso, la baja aceleración de la masa grande se produce durante un tiempo más largo, por lo que puede moverse más mientras se ejerce la fuerza sobre ella. Es el equivalente a pasar por un bache a baja velocidad; como las ruedas se mueven hacia arriba o hacia abajo con relativa lentitud, el chasis del coche las seguirá. Si pasas por un bache a baja velocidad, esto significa que el chasis seguirá a las ruedas (que siguen la superficie de la carretera), en lugar de moverse en algo parecido a una línea recta y posiblemente golpear la superficie de la carretera.

Answer 2

Creo que physics.SE merece una respuesta en terminología física.

Cambio de dirección = aceleración. La aceleración es causada por la fuerza. La fuerza se aplica a través de la suspensión y la comprime.

Una mayor velocidad conlleva una mayor aceleración y una mayor fuerza que, a su vez, comprime más el muelle.

Para ser un poco más precisos, podríamos modelar la curva ascendente como si estuviera formada por segmentos de arco. Esto significaría que en el segmento con radio de curvatura $r$ la aceleración es $v^2/r$ y la fuerza es $mv^2/r$ . Si suponemos que el muelle es lineal, la compresión será igual a la fuerza sobre la constante del muelle - $\frac{mv^2}{rk}$ .

Aclaración: el muelle probablemente no sea lineal, debería volverse cada vez más polinómico de alto grado cerca de los extremos de su rango (es decir, debería tratar de evitar que se comprima demasiado). El $m$ no es la masa del coche, sino algo así como la parte que se apoya en el eje en cuestión. Lo cual depende de múltiples factores, como la curvatura de la carretera y la aceleración absoluta del coche. Y la $r$ no es el radio de curvatura de la carretera sino el de la carrocería del coche. La suspensión está pensada precisamente para que sea menor que la curvatura de la carretera: suavizar el bache.

Answer 3

Para evitar el problema, es necesario levantar el coche por encima del bache. En el caso de un movimiento rápido, esto tiene que ocurrir en un lapso de tiempo más corto, por lo tanto con una mayor aceleración, por lo tanto con mayor fuerza - y esta fuerza tiene que ser transferida desde el suelo a través de sus ruedas a la carrocería del coche. Sin embargo, la relación posicional entre los neumáticos y la carrocería se rige por los muelles y los amortiguadores, que son comprimido bajo fuertes fuerzas. Además, el fondo del neumático puede estar comprimido por la misma razón. De ello se deduce que la carrocería del coche se acerca más al bache de lo que lo haría en cámara lenta.

Se podría evitar este fenómeno eliminando todos los muelles y amortiguadores (y también los neumáticos llenos de aire) y sustituyéndolos por conexiones rígidas. En ese caso, la carrocería se aceleraría repentinamente con gran fuerza en el bache, ¡probablemente provocando un fallo estructural! Después de todo, hay una razón por la que estos elementos elásticos están incorporados en el coche...

Answer 4

Los choques tienen factor de tiempo. Absorberán más si el cambio es rápido. Esto es por diseño, ya que su cuerpo y el coche no quieren un impacto rápido.

Creo que los resortes también tienen un factor de tiempo.

Answer 5

Golpear el bache a una velocidad más alta causa más fuerza en la rueda y, por lo tanto, más fuerza en los muelles/amortiguadores, lo que hace que se compriman más a medida que la rueda se desplaza por la parte delantera del bache. Si el parachoques está lo suficientemente adelantado con respecto a la rueda, es posible que pase la parte superior del bache, pero cuando la rueda pasa por encima y empieza a bajar por la parte trasera, los muelles no pueden empujar la carrocería y el parachoques hacia arriba lo suficientemente rápido como para proporcionar la misma diferencia de altura que había antes de golpear el bache. Por lo tanto, cuando la rueda llega a la parte inferior del bache en la parte trasera, los muelles/amortiguadores están todavía algo comprimidos y eso hace que el parachoques roce el suelo más allá del bache o que la parte inferior del coche detrás de la rueda roce la parte superior del bache.

Además, el choque con el bache produce tanto una fuerza vertical como una fuerza horizontal en la rueda. Esa fuerza horizontal está en la dirección opuesta al movimiento y frena la rueda y el chasis. La carrocería y el parachoques están conectados al chasis a través de los muelles y los amortiguadores y quieren seguir avanzando debido al impulso. El impulso se centra en el centro de gravedad de la carrocería/el parachoques, a unos 60 centímetros del suelo, mientras que la fuerza sobre la rueda está en la dirección opuesta a nivel del suelo. Eso crea un "momento", o "par" que hace que la carrocería se incline hacia abajo en la parte delantera de forma similar a como lo hace cuando se frena de golpe. El parachoques está en la parte delantera y por eso es el que más se mueve hacia abajo cuando el coche se inclina. Además, algunas personas pisan los frenos en un bache, lo que aumenta el efecto. Puedes ver este efecto pisando los frenos a baja velocidad y observando cómo la parte delantera del coche se inclina hacia abajo. Así que reduce la velocidad antes de llegar al bache y suelta los frenos antes de llegar a él. Si vas demasiado rápido cuando llegas al bache, intentar reducir la velocidad probablemente lo empeore.