LA ADHERENCIA ENTRE LA RUEDA Y EL PAVIMENTO

TEMA 5

LA ADHERENCIA ENTRE LA RUEDA Y EL PAVIMENTO. ROZAMIENTO DEL CAUCHO. LA INFLUENCIA DE CAPAS DE AGUA EN LA SUPERFICIE. INFLUENCIA DEL TIPO DE SUPERFICIE. INFLUENCIA DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL NEUMÁTICO. MOVIMIENTO DE LA RUEDA. RODADURA SIMPLE. RODADURA Y DESPLAZAMIENTO. MEDIDA DE COEFICIENTES DE RESISTENCIA AL DESLIZAMIENTO. VALORES MÍNIMOS DE LA RESISTENCIA AL DESLIZAMIENTO.

1. LA ADHERENCIA ENTRE RUEDA Y PAVIMENTO.

2. ROZAMIENTO DEL CAUCHO.

3. LA INFLUENCIA DE LAS CAPAS DE AGUA EN SUPERFICIE.

4. INFLUENCIA DEL TIPO DE SUPERFICIE Y DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL NEUMÁTICO.

5. RODADURA SIMPLE: RODADURA Y DESPLAZAMIENTO

6. MEDIDA DE COEFICIENTES DE RESISTENCIA AL DESLIZAMIENTO.

7. EVOLUCIÓN DEL COEFICIENTE DE RESISTENCIA AL DESLIZAMIENTO.

8. VALORES MÍNIMOS DE RESISTENCIA AL DESLIZAMIENTO.

1. LA ADHERENCIA ENTRE RUEDA Y PAVIMENTO

Al analizar el comportamiento dinámico del vehículo que avanza por la carretera, aparecen una serie de fuerzas cuyo origen y comportamiento vamos a analizar en este tema. Básicamente, el vehículo requiere un sistema de propulsión para vencer la resistencia a la rodadura de la carretera.

No obstante, para lograr un avance cómodo y sobre todo seguro del vehículo a lo largo de la carretera, no basta con vencer la resistencia a la rodadura: para que persista un equilibrio sin deslizamiento, se hace preciso que la relación entre las fuerzas horizontales y verticales en cada rueda no supere el valor del coeficiente de resistencia al deslizamiento entre neumático y firme.

El conocimiento del valor del precitado coeficiente es esencial para el proyecto y para las operaciones de explotación y conservación de la carretera. El conocimiento de los factores que determinan su valor permitirá escoger el tipo de neumático y pavimento mas adecuado en cada situación.

2. ROZAMIENTO DEL CAUCHO

La rueda hinchable de goma fue inventada por Dunlop en 1888, para aplicarla a la bicicleta, y en 1890 ya se había aplicado a los automóviles. Posteriormente, en 1909 el químico Alemán Hoffmann logró fabricar una sustancia sintética, el metilisopreno, que es la base del caucho sintético. No obstante, el caucho tardaría más de 20 años en imponerse: hacia 1938 ya era el componente fundamental, aunque todavía las ruedas llevaban parte de fibras de algodón. El primer neumático hecho totalmente de caucho lo diseño CONTINENTAL en 1942.

Desde entonces, si bien el material no ha variado sustancialmente en su aspecto, si se han producido nuevos desarrollos químicos que han mejorado sensiblemente las propiedades: en especial de pueden destacar los cauchos de estireno-butadieno en solución (mejora de las propiedades antideslizantes sobre mojado) y la sustitución del negro de humo como material de relleno por el sílice (mejora la resistencia al desgaste y a la rodadura).

La ley del rozamiento según la mecánica clásica (sólidos indeformables) establece que al deslizar un cuerpo sobre otro, surge en oposición a este deslizamiento una fuerza en sentido contrario al movimiento proporcional a la fuerza normal (perpendicular) a las superficies en contacto. Y que el factor de proporcionalidad depende exclusivamente de la naturaleza de los materiales en contacto. Esta ley viene a ser suficientemente exacta para muchos materiales, pero no lo es en algunos casos como el caucho y materiales similares, en los que resultaría muy aproximada.

En el caso del caucho, los principales mecanismos físicos por los que un neumático proporciona su capacidad de adherencia con el suelo son dos: adherencia y deformación. Ambos son descritos a continuación para el caso de una pieza cualquiera de caucho apoyada sobre una superficie rugosa.

-Rozamiento por adherencia (Fig 1): Es debido a las interacciones moleculares en el área de contacto que será preciso romper para posibilitar el deslizamiento. Sobre superficies secas y limpias este rozamiento es muy alto (con coeficientes del orden de 1) pero disminuye en presencia de sustancias que impiden un contacto molecular perfecto (polvo, barro, laminas de agua…..)

-Rozamiento por deformación (Fig 2): Se produce a consecuencia de las irregularidades de la superficie del pavimento, que hacen que el caucho se comprima y dilate alternativamente, provocando pérdidas de energía debidas a la histéresis elástica del material. Este rozamiento es en general más pequeño que el debido a la adherencia, pero no se modifica al existir capas líquidas, ya que las deformaciones que sufrirá la goma serán las mismas que si no existieran dichas capas. Por ello, su aportación será determinante en casos de adherencia disminuida, en los que se convertirá en el factor preponderante.

Viéndolo de manera física, el desfase entre causa (presión o tensión aplicada) 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. Esto genera una distribución de presiones orientada en sentido contrario al deslizamiento, lo que contribuye a la fuerza de fricción total.

A este fenómeno se debe que un neumático «blando» tenga mejor agarre que uno «duro», y que la mayor tracción se obtenga cuando la rueda está sufriendo un cierto deslizamiento

El área de la superficie de contacto entre un neumático y el suelo queda definida en gran medida por la presión de inflado y el peso que recae sobre él, y no es por lo tanto responsable de la mayor adherencia que un neumático ancho puede proporcionar.

Sin embargo, cuanto mayor es la anchura de un neumático más ancha y corta es la huella. Como se verá al describir la resistencia a la rodadura, esto reduce la magnitud de la deformación que sufre el neumático en su contacto con el asfalto, lo que redunda en una distribución de presiones más homogénea y por tanto más propicia para desarrollar una mayor adherencia.

Esta menor deformación permite además el empleo de compuestos más blandos en neumáticos anchos. El grado de histéresis aceptable está limitado en última instancia por la generación de calor asociada a la deformación cíclica del caucho, que puede degradar las prestaciones del neumático y en última instancia destruirlo. La disminución en la generación de calor debida a las menores deformaciones que sufre un neumático ancho permite el empleo de compuestos más blandos, que proporcionen una mayor adherencia.

Sobre asfalto seco, un neumático de turismo tiene un coeficiente de rozamiento en torno a 0,8-1. Es decir, puede desarrollar una fuerza (lateral, longitudinal o combinada) ente el 80 y el 100 por ciento del peso que recae sobre él. Un neumático de competición puede fácilmente duplicar estos valores.

3. LA INFLUENCIA DE LAS CAPAS DE AGUA EN LA SUPERFICIE

Una Superficie seca y limpia proporcionará buena adherencia entre neumático y pavimento, lo que dará una resistencia al deslizamiento adecuada. Pero cuando existan partículas líquidas en la zona de contacto, la adherencia se verá minimizada y se logrará una menor adherencia, lo que irá en detrimento de la resistencia al deslizamiento.

En la zona de contacto del neumático con el pavimento podrán distinguirse 3 zonas, cada una de las cuales será más o menos importante en función del pavimento, del neumático, del espesor de la lámina de agua y de la velocidad de rodadura (FIG .3)

-ZONA primera: La lámina de agua es continua y no existe ningún contacto entre neumático y pavimento

-ZONA segunda: La lámina de agua es discontinua. Hay contacto parcial.

-ZONA tercera: Contacto total, con adherencia.

El efecto de la capa de agua se produce por dos vías: por un lado, ejerce una presión dinámica, producida por el impacto del agua contra el neumático. Por otra parte, el agua al ser desplazada por el neumático, actuará como un lubricante que ejerce presión sobre el neumático a consecuencia de la viscosidad del fluido (el agua en este caso).

Es interesante señalar que el modelo antes descrito es válido en condiciones de circulación a alta velocidad.

El Impacto de la rueda sobre el agua provoca una presión hacia arriba, proporcional al cuadrado de la velocidad. Cuando dicha presión supera la de contacto del neumático sobre el suelo, la rueda despegará del mismo y avanzará patinando sobre la superficie de agua, con lo que el rozamiento será nulo y las ruedas del vehículo cesaran de rodar. Este fenómeno se conoce como Hidroplaneo o Aquaplaning.

El Hidroplaneo una vez provocado impide controlar la trayectoria del vehículo. Puede presentarse a velocidades entre 80 y 100 Km/h, aunque con capas de agua importantes (más de 100 mm si las superficies de carretera y neumático son lisas, y más todavía si fueran rugosas). En la práctica, este espesor de capa no suele aparecer en calzadas con una mínima pendiente, excepto en puntos en los que el desagüe no funcione bien y en tramos horizontales con roderas.

En cambio, el efecto de la viscosidad del agua se hace importante incluso con capas de agua del orden de la décima de milímetro. Estas capas actúan como lubricantes entre rueda y pavimento, y como el rozamiento en el contacto agua-neumático es prácticamente nulo, el coeficiente de rozamiento total variará proporcionalmente a la carga transmitida directamente al pavimento (FIG 4)

Para evitar estos efectos, interesa desplazar rápidamente el agua en la zona de contacto, asegurando

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