¿Por qué la baja presión de los neumáticos aumenta la fricción?

Question

Siempre he pensado que se debe a que la fuerza de fricción sobre el neumático se incrementa debido al abombamiento de los neumáticos aumentando la superficie de contacto con la carretera. Sin embargo, un colega me recordó que la fuerza de fricción es independiente de la superficie. ¿Por qué entonces el ahorro de combustible disminuye cuando la presión de los neumáticos es baja?

Answer 1

Una menor presión aumenta el contacto de la superficie y aumenta la fricción estática, y la fricción estática no implica pérdida de calor, así que eso es bueno. Pero el rozamiento por rodadura no es bueno y sí implica pérdida de calor.

El calentamiento por rozamiento se debe a la deformación inelástica que experimenta la goma del neumático al entrar en contacto con la carretera. Consulta este artículo de Wikipedia sobre la resistencia a la rodadura: https://en.wikipedia.org/wiki/Rolling_resistance

Cuando el caucho está en contacto con la carretera en cada revolución, se comprime, y luego se expande cuando sale de la superficie. La compresión y la expansión no son perfectamente elásticas, por lo que se produce una pérdida de calor en forma de fricción. Cuanto menor sea la presión del neumático, más goma estará en contacto con la carretera en cada revolución y mayor será la pérdida de calor por fricción. Estas mayores pérdidas de calor se traducen en un menor ahorro de combustible.

Espero que esto ayude.

Answer 2

La fricción estática no reduce realmente el ahorro de combustible. Sin ella, las ruedas resbalarían, así que es algo bueno.

Lo que provoca la pérdida de ahorro de combustible es la resistencia a la rodadura. Esto se debe a la histéresis; la energía que se pierde debido a la deformación cíclica del neumático al rodar.

No es una gran analogía, pero imagina el neumático parcialmente inflado como un disco con el eje descentrado. Al rodar, el eje oscilará hacia arriba y hacia abajo, es decir, se pierde algo de energía para poder contribuir al movimiento de avance.

En tu caso, el eje no se balancea hacia arriba y hacia abajo, sino que se pierde energía en la remodelación del tite, que pasa de abultarse en un lado a abultarse en el otro con cada media revolución.

Answer 3

En este punto tengo una intuición ligeramente diferente a la de las otras respuestas, lo que puede ayudar.

Imagina que vas en un monopatín o en unos patines (con ruedas muy duras) sobre una superficie de goma blanda. En este caso, no es la rueda la que se deforma, sino la superficie:

La interfaz rueda/superficie se deforma por exactamente la cantidad adecuada para que la carga de la rueda se equilibre con la fuerza ascendente de la superficie.

Ahora, para que su rueda avance en el siguiente incremento, tiene que ir "cuesta arriba" para salir de la abolladura que ella misma ha provocado en la superficie. Puedes pensar que el progreso de la rueda es una serie de "subidas" para salir de la hendidura, seguidas de un colapso vertical de la superficie bajo el peso. Por supuesto, en la realidad, su progreso no tendrá lugar de esta manera, usted estará empujando una zona de goma comprimida delante de la rueda, pero el resultado es el mismo. Si alguna vez has intentado conducir un monopatín sobre la hierba o empujar un cochecito en la playa, habrás experimentado este problema.

En un coche (y en la mayoría de las interfaces rueda/superficie) la rueda es más blanda que la superficie, por lo que la rueda se deforma, no la superficie:

Por eso es mucho más eficiente que las bicicletas tengan ruedas de mayor diámetro; el punto plano en la parte inferior de la rueda puede ser tan grande como sea necesario, pero el ángulo entre el punto plano y el siguiente milímetro de neumático será correspondientemente menor, cuanto mayor sea la rueda:

Ambos círculos están en contacto con la línea negra con el mismo tamaño de punto plano, pero el círculo rojo se deforma de ser un círculo por mucho más que el azul.

Además, la "colina" que tiene que subir la rueda más pequeña es mucho más empinada que la rueda más grande, como muestran los ángulos A y B.

Por último, creo que es un poco abstracto pensar en el consumo de combustible. Sólo hay que imaginarse cuánto más difícil sería 1) Montar en bicicleta con las ruedas pinchadas, 2) Empujar un coche con las ruedas pinchadas. Se necesitaría más energía. En tu coche, la energía proviene del depósito de gasolina, por lo que obtienes una cifra menor de mpg cuando tus neumáticos están poco inflados.

Answer 4

Cuando se utilizan neumáticos, la "fricción de rodadura" representa el esfuerzo necesario para remodelar continuamente el neumático. Cuanto menor sea la presión del neumático, mayor será la deformación al rodar y, por tanto, mayor será el trabajo necesario para conseguir dicha deformación. Si se inflaran los neumáticos lo suficiente como para que apenas se deformaran al rodar, esta fricción se reduciría en gran medida (mejorando así el ahorro de combustible), pero se sacrificarían las ventajas de rendimiento y manejo de los neumáticos.

Si uno condujera un coche con ruedas absolutamente rígidas, cada pequeño bache en la superficie de la carretera haría que la fuerza entre la rueda y el suelo aumentara cuando el coche golpeara el bache, y luego disminuyera en cuanto la rueda pasara por encima. Como la fuerza de frenado está limitada por los frenos y la tracción, los aumentos momentáneos de la tracción no la mejorarán, pero las disminuciones momentáneas de la tracción la reducirán. Los neumáticos minimizan este problema porque el área de contacto puede remodelarse continuamente para minimizar el aumento de la fuerza al golpear un bache, y por tanto la inevitable reducción de la fuerza después.

La razón por la que las presiones de los neumáticos se indican en los vehículos y no en los neumáticos es que la cantidad de presión necesaria para limitar la deformación al nivel óptimo variará en función del peso del vehículo. Lo ideal sería que los neumáticos ofrecieran una tabla de presiones de inflado recomendadas en función del peso del vehículo, pero la mayoría de los vehículos están pensados para ser utilizados con una gama relativamente estrecha de tamaños de neumáticos, y los neumáticos de un tamaño determinado tenderán a tener recomendaciones de inflado similares. La presión óptima exacta para los neumáticos de diferentes fabricantes no será idéntica, pero la mayoría de los neumáticos funcionarán razonablemente bien en una gama de presiones lo suficientemente amplia como para que la presión elegida para un neumático típico funcione razonablemente bien -aunque no sea del todo óptima- para otros neumáticos de tamaño similar.

Answer 5

El hecho de que la fricción sea independiente de la superficie sólo se aplica a las superficies lisas. Las carreteras son rugosas: el neumático se deforma constantemente por las irregularidades de la carretera. Puedes comprobarlo en tiempo real si tu coche tiene un medidor de consumo bastante sensible: en igualdad de condiciones, cuanto más irregular sea la carretera, peor será el consumo.

Para una demostración práctica, considere dos extremos: la alta resistencia a la rodadura de los neumáticos anchos y de baja presión utilizados por los vehículos todoterreno (y aspirantes), y la bajísima resistencia a la rodadura de la rueda de acero inflexible sobre carril de acero de los trenes.