¿Agarra más un neumático más ancho ?
O, haciendo la pregunta de otra manera, ¿Agarra más un neumático por el hecho de tener mayor superficie de contacto con el asfalto? La respuesta afirmativa parece obvia, pero cualquier manual de física básica nos hará deducir que es falso, claro que si profundizamos más... (Sigue leyendo)
La intuición nos sugiere que a mayor superficie de contacto entre dos sólidos mayor será la fuerza de rozamiento entre ambos. Algo que a priori podemos confirmar mirando las descripciones de los modelos de neumáticos de algunos fabricantes “Perfil modificado para mejorar el agarre al tener mayor superficie de contacto en grandes inclinaciones” o por situaciones como la que vivimos recientemente en Moto2, en la que algunos equipos rodaban con presiones por debajo de las recomendadas por el fabricante con el fin de conseguir mayor superficie de contacto por deformación del neumático.
Sin embargo, al revisar las ecuaciones físicas que describen el comportamiento de la fuerza de rozamiento entre dos sólidos no vemos que exista dependencia alguna entre la fuerza de rozamiento y la superficie de contacto.
La Fuerza de rozamiento entre dos sólidos depende del coeficiente de rozamiento relativo a ambos sólidos y la fuerza que los mantiene en contacto.
Fr = µ· FN
Donde Fr es la fuerza de rozamiento, µ el coeficiente de rozamiento y FN la fuerza normal (fuerza perpendicular a la superficie de contacto entre los sólidos).
El coeficiente de rozamiento es adimensional y depende exclusivamente de la naturaleza de ambos sólidos, por lo que no hay absolutamente ninguna referencia al área de contacto entre ambos sólidos.
Esto quiere decir que tendremos que aplicar la misma fuerza para arrastrar una caja tanto si la hacemos deslizar sobre su lado de mayor superficie como si lo hacemos sobre su lado de menor superficie (una caja de pizza nos puede servir para comprobar esta afirmación).
La intuición nos sugiere que la fuerza necesaria para hacer deslizar la caja en la posición (a) es mayor que la necesaria para hacerla deslizar en la posición (b). Sin embargo en ambos casos la fuerza necesaria es exactamente la misma.
Podemos entenderlo de la siguiente forma:
Cuanto mayor sea el peso de la caja mayor será la resistencia al deslizamiento. Si estudiamos la fuerza aplicada (FN) por diferencial de superficie veremos que en la figura 1 (mayor superficie de contacto) cada unidad de superficie soporta menos peso (y por lo tanto la fuerza de rozamiento para esa unidad de superficie será menor). Si sumamos todas las unidades de superficie, el sumatorio de las fuerzas de rozamiento será el mismo al obtenido en la figura 2, con menor número de unidades de superficie pero una mayor fuerza de rozamiento por unidad (al soportar cada unidad de superficie mayor peso)
¿Tenemos algún dato en competición que apoye esto?
Hace algunos años, en el CEV, los pilotos iban más rápido con los Dunlop GP211 rayados que con Slicks. Los neumáticos con dibujo tiene menos superficie de contacto que los slick, pero el agarre del neumático en frenadas y aceleraciones era simplemente mayor, lo que hacía que el rayado fuera el neumático elegido por los pilotos.
Otro ejemplo es que muchas veces los pilotos conseguían bajar sus tiempos por vuelta al dar más presión de inflado al neumático a pesar de la reducción en la superficie de contacto con el suelo que ello suponía.
Entonces, ¿por qué las motos con mayor potencia tienen neumáticos más anchos?
- Un neumático más ancho puede soportar mejor las fuerzas a las que se ve sometido sin ser deformado.
- Un neumático ancho disipa mejor la temperatura, calentándose menos a igual esfuerzo y evitando que el neumático se rompa por exceso de temperatura o que empiece a deslizar por sobrepasar su temperatura máxima de funcionamiento.
- Aunque un neumático mucho más estrecho agarrara lo mismo, se destruiría con mucha mas facilidad sometido a esfuerzo.
- En un neumático ancho se puede poner goma mas blanda ya que se calentará menos y sufrirá menos a igual esfuerzo, aunque hay que estar seguro de que el ritmo del piloto lo llevará a la temperatura adecuada, si no se convierte en un inconveniente.
Pero todo esto no nos parece suficiente justificación y, volviendo al inicio del artículo, esto sería aceptar que los fabricantes de neumáticos y los telemétricos e ingenieros del mundial de MotoGP se equivocan, cosa bastante improbable.
¿Qué le falta a este estudio?
Entre otras cosas, le falta tener en cuenta que el coeficiente de rozamiento entre un neumático y el suelo no es constante. El modelo de rozamiento se complica a la hora de poner bajo estudio un material visco-elástico como la goma de un neumático. De hecho intervienen tantas variables que no se ha podido desarrollar un modelo físico que describa con precisión las curvas de coeficiente de rozamiento de un neumático en acción. Aquí tenemos algunos ejemplos:
1) Dependencia de µ con la deformación.
La goma se deforma con la presión contra el suelo y esta deformación cambia las propiedades del material. El coeficiente de rozamiento disminuye con la deformación por presión a la que es sometida la goma del neumático.
Un neumático más ancho sufre menos presión (misma fuerza pero mayor superficie -> menor presión) y por lo tanto la disminución del coeficiente de rozamiento es menor. Podemos afirmar que en este caso un neumático más ancho ayuda a tener mayor agarre.
Nota: No confundir µ (coeficiente de rozamiento) con Fr (Fuerza de rozamiento). En una frenada fuerte µ disminuye pero la fuerza (FN) sobre el neumático aumenta, teniendo esta segunda variable más importancia. Siempre nos convendrá que la rueda delantera esté bien apoyada en el suelo para poder permitirnos realizar una frenada fuerte.
2) Componente de adhesión por deformación de la goma.
El neumático se deforma adaptándose a las irregularidades del asfalto. Este componente de µ depende de la superficie de contacto, sin embargo no es fácil describir la importancia de la aportación del componente de adhesión al coeficiente de rozamiento total.
Comentar como curiosidad que los fabricantes tienen muy en cuenta la histéresis del neumático (tendencia de un material a conservar una de sus propiedades, en ausencia del estímulo que la ha generado), procurando que los neumáticos en competición no tengan un respuesta rápida de recuperación a la forma original, consiguiendo de esta manera más agarre.
3) El coeficiente de rozamiento varía con la temperatura.
Los neumáticos tienen una temperatura de trabajo en la que el coeficiente de rozamiento es el óptimo para poder aprovechar el neumático. El coeficiente de rozamiento de un neumático aumenta con la temperatura hasta un punto en el que el vuelve a bajar.
Y en la temperatura del neumático tiene mucho que decir la superficie de contacto con el suelo. Cuanto menor sea la superficie (mayor presión de contacto) más rápido cogerá temperatura y mayor será la temperatura que alcance.
Una gran parte de las caídas que se producen en las rodadas son porque el neumático está aún frío y por lo tanto su coeficiente de rozamiento es bajo.
También se produce una caída drástica del coeficiente de rozamiento cuando el neumático trabaja a temperaturas por encima de su temperatura de trabajo. Esto se puede experimentar rodando relativamente rápido en circuito con neumáticos de calle, normalmente a partir de cierto número de vueltas (dependiendo del ritmo), el neumático empieza a deslizar más de lo esperado.
Esto apoya las explicaciones que dio Marc Márquez a sus cambios de ritmo en la carrera de este año en Phillip Island. Márquez alegó que el neumático delantero se pasaba de temperatura, lo que le forzaba a bajar el ritmo para enfriar el neumático, y una vez en su temperatura de trabajo podía volver a apretar.
Referente a los casos comentados anteriormente de experiencias de pilotos del CEV:
Los neumáticos rayados les permitían alcanzar la temperatura de trabajo con mayor rapidez por un lado, y conseguir mayores temperaturas por otro. Este efecto se produce por la menor superficie de contacto, como hemos explicado antes, pero también por la mayor deformación producida en los bordes de los canales.
El hecho de dar más presión de inflado a los neumáticos reduce la superficie de contacto con el suelo, aumenta por lo tanto la presión sobre el asfalto (P=F/S) y por consiguiente el coeficiente de rozamiento. De igual manera, si un neumático se pasa de temperatura nos ayudará quitar aire para que haya más superficie de contacto y menos presión sobre el neumático.
Normalmente, cuando vamos a rodar al circuito con neumáticos de calle intentamos luchar contra el sobrecalentamiento bajando las presiones de manera significativa. Así una moto cuyas presiones recomendadas sean 2,5 y 2.9 las bajaremos en circuito a 2,1 y 2,0 subiendo la presión en pista a 2,3 – 2,3 (dependiendo del ritmo) que además permite una mayor deformación del neumático consiguiendo así un mayor agarre.
4) Componente de desgaste.
En un material como el de los neumáticos adquiere mayor importancia el hecho de que van dejando parte del neumático en la pista. La fuerza necesaria para “romper” el neumático sí depende del área de contacto con el suelo, siendo obviamente mayor cuanta más superficie de contacto haya.
5) Variación del coeficiente de rozamiento con la velocidad.
El coeficiente de rozamiento disminuye con el aumento de la velocidad.
6) Componente de “secado”.
Aunque hablemos de un asfalto “seco” de un día soleado en Agosto, nunca vamos a encontrar una superficie con humedad cero. Los neumáticos reducen la humedad del asfalto en un porcentaje que depende de la velocidad, temperatura, material … lo que provoca un cambio continuo en el coeficiente de rozamiento.
Por lo tanto podemos afirmar que, en el caso de un neumático, el agarre depende de la superficie, pero no de la forma en la que podríamos pensar en un principio. Un neumático no tiene por que agarrar necesariamente el doble que otro del mismo material pero cuya superficie de contacto con el suelo sea la mitad.
Por otra parte hay que insistir en la elección del neumático adecuado para cada uso, un neumático más “blando” puede tener un rango de temperatura de funcionamiento más alto que otro mas “turístico” (la lógica indica esto), y alguien que no estrese mínimamente el neumático puede ir con menor agarre con un, por ejemplo Road&Track, que con un sport/turismo, esto se agrava con temperaturas invernales o con el suelo mojado.
Si consideramos poner un neumático mayor al de serie en nuestra moto, conviene tener en cuenta lo que ganamos y perdemos, un poco más de agarre contra algo menos de agilidad, soportar algo más de esfuerzo sin sobrepasar su temperatura óptima de funcionamiento contra tardar algo más en alcanzarla. Todo esto asegurándonos que la llanta lo soporta sin deformar su curvatura, ya que en ese caso todo serán inconvenientes, salvo que lo que busques sea una mejora estética. Si lo que necesitamos es mas agarre, será mejor inversión poner un neumático más deportivo sin variar la medida. Ciertamente con neumáticos comerciales de carreras de motos de serie, muchos ponen 190 en lugar de 180 en motos supersport o 200 en lugar de 190 en motos superbike pero porque ya no hay neumáticos de la medida original con más agarre o que soporten esfuerzos mayores.