Entre un 20% y un 33% de la energía que mueve las ruedas de un coche se utiliza para vencer la resistencia a la rodadura. Esta fuerza opuesta al movimiento, generada en la zona de contacto entre el neumático y el asfalto, es la segunda más importante tras la resistencia aerodinámica a la hora de dificultar el movimiento de nuestro coche en general, y la más importante a bajas velocidades.
A pesar de su enorme importancia como consumidora de energía y del potencial de mejora que encierra, la resistencia a la rodadura es una fuerza bastante poco conocida. Así pues, vamos a echarle un buen vistazo para intentar comprender cómo se genera, en qué consiste exactamente y lo que implica en términos de consumo.
¿Por qué se produce la resistencia a la rodadura?
Intuitivamente, no parece haber nada que impida que un neumático ruede. Siendo su perfil exterior aproximadamente una circunferencia, debería rodar por una superficie horizontal sin ningún impedimento. De hecho, las ruedas de un tren circulando sobre raíles (acero contra acero) tienen una resistencia a la rodadura prácticamente nula. ¿Por qué no es así en el caso de un neumático?
En circunstancias normales, despreciando el deslizamiento entre carretera y neumático y la interacción de éste con el aire, la resistencia a la rodadura proviene de la deformación que sufre el neumático en la superficie de contacto contra la carretera. Esa superficie de contacto es una zona donde el neumático se «aplasta», formando un pequeño plano paralelo al suelo y en contacto con éste.
Para que un neumático que está rodando adquiera esa forma plana aplastada contra la carretera en la zona inferior, es necesario aplicarle una fuerza (invertir energía). Esa fuerza de aplastamiento ha de aplicarse en la parte delantera de la rueda, atendiendo al sentido de la marcha, justo en el momento en que el dibujo entra en contacto con el suelo y es «apretujado». Como ese punto del neumático está un poco más adelante que la vertical del eje, esa fuerza se opone al giro.
Por otro lado, cuando la superficie de contacto se separa de la carretera e inicia su trayectoria ascendente, la goma recupera su forma inicial devolviendo también una fuerza contra el asfalto que, en este caso, favorece el giro por estar más atrás que la vertical del eje. Si ambas fuerzas fuesen iguales, los pares de giro se compensarían y el vehículo no tendería a frenarse ni a acelerarse.
La razón por la que ambas fuerzas no son iguales (la de aplastar y la de recuperar la forma) es por una propiedad de la goma denominada histéresis. La energía de deformación que hay que aplicar a un punto del neumático para que se aplaste contra el asfalto (restando energía al avance del vehículo) es mayor que la energía que el neumático devuelve al recuperar su forma original (sumando menos energía en el sentido de la marcha).
La diferencia entre ambas cantidades de energía se transforma en calentamiento del neumático y el par de giro «neto» resulta ser en contra del avance del vehículo. Este par de giro en el sentido contrario al avance es el componente fundamental de la resistencia a la rodadura.
La razón última por la que los neumáticos tienen este comportamiento (histéresis) con el que devuelven menos energía al recuperar su forma natural de la que absorben al ser deformados, es porque se trata de un material viscoelástico. Las cadenas de polímeros que componen la carcasa se rozan y retuercen entre sí al comprimirse, generando calor que se disipa al ambiente y es ahí donde pierden el diferencial de energía.
Siguiendo este mismo principio, las irregularidades del propio asfalto (ondulaciones, gravilla, grietas, baches…) exigen al neumático deformaciones adicionales para adaptar la superficie de contacto a esa forma irregular que encuentra a su paso. Pues bien, cada una de esas deformaciones absorbe también energía en el momento en que la goma adopta una forma concreta, energía que nunca devuelve por completo al recuperar su contorno original. Toda deformación, debida a imperfecciones del firme o al aplastamiento natural del neumático por el peso que soporta, contribuye a incrementar la resistencia a la rodadura.
La práctica totalidad de la resistencia a rodar que ofrece un neumático proviene de la histéresis del material que lo conforma. Cabe mencionar que, en un sentido algo más amplio, son también componentes de esa resistencia los microdeslizamientos entre suelo y goma, la deformación del propio firme al ser pisado y la interacción del neumático en rotación con el aire. Estos efectos, en total, suponen una pequeña fracción del consumo energético de la histéresis antes mencionada (a menos que se circule sobre arena o algo similar).
Cuantificación de la resistencia a la rodadura
La resistencia a la rodadura de un neumático depende, además de sus propias características químicas y morfológicas, del peso que lleve encima. De hecho, la resistencia a la rodadura es directamente proporcional al peso soportado por el neumático. Así pues, el coeficiente de resistencia a la rodadura se define como una magnitud adimensional que expresa la fuerza opuesta al movimiento por cada unidad de carga soportada. Este coeficiente representa el porcentaje del peso soportado que se transforma en resistencia al avance.
Para hacernos una idea de su orden de magnitud, este coeficiente se sitúa alrededor de entre 0,007 y 0,014 para un coche que circule sobre asfalto. Esto significa que entre el 0,7% y el 1,4% del peso de un coche normal se convierte en resistencia al avance a través de los neumáticos. Tomando un coeficiente medio de 0,01 y suponiendo un coche de 1.500 kg, la resistencia a la rodadura que ha de vencer en todo momento sería equivalente a unos 15 kg ( * ) tirando hacia atás en todo momento. Esta fuerza es aproximadamente constante para velocidades habituales de circulación.
Una consecuencia muy importante de la relación lineal entre resistencia a la rodadura y peso soportado es que, con idénticos neumáticos, los 15 kg de resistencia anteriores pasarían a ser la mitad si el coche pesase la mitad, y el doble si duplicase su peso. No es lo mismo, sobre todo si ese lastre es a perpetuidad y en cada centímetro que avance el coche durante toda su vida útil. Una vez más, nos encontramos con la importancia vital de la masa desplazada en cualquier vehículo.
A partir de este dato aproximado, y volviendo al ejemplo de un coche de 1.500kg, suponiendo una velocidad constante de 100 km/h empleará alrededor de 5,5 CV de potencia en vencer la resistencia a la rodadura (hablaríamos de 3,6 CV para un vehículo de 1.000 kg y hablaríamos de 7,3 CV para uno de 2.000 kg). Con neumáticos de baja resistencia a la rodadura, cuyo compuesto incorpora mayor cantidad de sílice, estas cifras serían algo menores, mientras que con neumáticos de mala calidad o con baja presión de inflado se incrementarían.
Para dar una idea aproximada de su relación con el consumo, una reducción del 10% en la resistencia a la rodadura podría desembocar en una mejora en el consumo entre el 1% y el 2%, aunque esta cuantificación debe tomarse a título orientativo porque depende del experimento concreto que tomemos como referencia.
Como dato curioso, unos neumáticos nuevos tienen, en general, un mayor coeficiente de resistencia a la rodadura que los mismos neumáticos ya gastados. La razón de este aparente sinsentido es que al ir puliendo el dibujo, la cantidad de material que participa en la histéresis se va reduciendo, con lo que el coche rueda ligeramente mejor. Otra cosa es la seguridad que se pierde en ese caso, bastante más importante que el tercer decimal de nuestras cifras de consumo medio.
Conclusiones
La resistencia a la rodadura es, junto con la resistencia aerodinámica, una de las principales fuerzas que se oponen al movimiento de cualquier vehículo. Su magnitud no depende apenas de la velocidad de circulación, por lo que siempre nos acompaña mientras el coche esté en movimiento. Sí es proporcional, en cambio, al peso del vehículo en cada momento.
La proporción del peso del vehículo que los neumáticos transforman en resistencia al avance es el coeficiente de resistencia a la rodadura y es en este coeficiente donde intentan mejorar las marcas de neumáticos. Lograr un menor coeficiente con neumáticos de mayor calidad (mediante compuestos de histéresis mínima) redunda en un incremento prestacional así como en una reducción de consumos para cada circunstancia.
Desde el punto de vista del usuario y con vistas a minimizar el lastre que supone la resistencia a la rodadura, la regla de oro sería tener el coche más ligero posible, con los neumáticos de menor coeficiente posible y mantenerlos en perfectas condiciones de inflado, desgaste y equilibrado.
Como hemos visto, es importante.
(*) 15 kg no son una fuerza, sino una masa. La fuerza que tira hacia atrás serían 147 N, pero hablo de kg porque es la referencia que todo el mundo conoce y maneja.
Foto inicial: Boltron-
Fuentes:
U.S. Department of Energy |
Erasmus Intensive Programme |
M.I.T. ei |
Wikipedia
En Tecmovia:
Enemigos de la eficiencia: la masa desplazada |
Enemigos de la eficiencia: la resistencia aerodinámica |
Enemigos de la eficiencia: la frenada térmica y la frenada regenerativa
