Una razón por la cuales los neumáticos exhiben un comportamiento un tanto impredecible es porque están hechos de caucho o goma, la cual es un material viscoelástico. Para poder entender esto, primero debemos conocer las propiedades de materiales elásticos y viscosos.

Material Viscoso

Este tipo de materiales se deforman en un rango constante cuando una carga es aplicada, y no regresa a su forma inicial cuando se remueve dicha carga. Una manera fácil de ver este principio es el tener un pistón que se mueve a través del aceite. Mientas el pistón es empujado, la viscosidad del aceite resiste al pistón en movimiento, así que, por más duro que se empuje el pistón o por más grande que sea la carga en el aceite, mayor será la resistencia.

Cuando se suelta el pistón o se deja de aplicar una carga, la resistencia del aceite empuja en dirección opuesta al pistón, pero no a su posición inicial. Esto es porque la resistencia en el aceite ha convertido en calor parte de la energía que se usó para empujar el pistón. Por lo tanto, hay una pérdida de energía dado que el pistón no regresa a su posición inicial.

A esto se le conoce como desfase de desplazamiento. Así que, retomando el pistón y el aceite, el desplazamiento detrás de la fuerza aplicada está fuera de fase. A este desfase también se le conoce como ‘histéresis’ y se puede representar de la siguiente manera:

Material Elástico

Los materiales elásticos se deforman linealmente cuando una carga es aplicada, si se remueve dicha carga, este regresa a su posición inicial o forma inicial. Veamos esto al tomar como ejemplo otro componente de un coche, un resorte o muelle. Cuando empujamos o presionamos un muelle, este se comprime y, por lo tanto, el desplazamiento es proporcional a la carga aplicada.

Material Elástico

Los materiales elásticos se deforman linealmente cuando una carga es aplicada, si se remueve dicha carga, este regresa a su posición inicial o forma inicial. Veamos esto al tomar, como ejemplo, otro componente de un auto, un resorte o muelle. Cuando empujamos o presionamos un muelle, este se comprime y, por lo tanto, el desplazamiento es proporcional a la carga aplicada.

Al aplicar un ciclo de fuerza de compresión o extensión al muelle, podemos ver el siguiente comportamiento de desplazamiento/fase:

Material Viscoelástico

Como el nombre lo indica, un material de este tipo es una combinación entre elasticidad y viscosidad. Como vimos anteriormente, un material viscoso su deformación es permanente, tal que regresa a su forma o posición inicial, pero solo después de un periodo de tiempo. Por otro lado, un elástico, su deformidad es recuperable.

Un material viscoelástico puede ser visto siguiendo los ejemplos anteriores como un ensamble entre un pistón y un muelle. Cuando empujamos el pistón, la viscosidad en el aceite resiste el desplazamiento, el cual genera calor, y cuando se suelta, la resistencia empuja de vuelta al pistón, pero no a su posición inicial. El muelle después retoma el comportamiento debido a su elasticidad y extiende el pistón de vuelta a su posición inicial.

Una vez más, el desplazamiento esta fuera de fase o hay ‘histéresis’ con la fuerza aplicada, pero mucho menor a la del comportamiento único de un material viscoso. Por tanto, este desfase resulta en una pérdida de energía en forma de calor.

Caucho

Bien, ahora que ya tenemos una idea de que es un material viscoelástico, podemos iniciar a explorar o ver las características del comportamiento del caucho o goma en los neumáticos en diferentes condiciones. En esencia, el comportamiento del caucho se ve afectado por 3 principales puntos:

  • Perdida de energía – Disipada como calor por un desfase.
  • Histéresis – Cuando hay desfase en la deformación y estrés.
  • Módulos – Caracteriza la rigidez del compuesto del material (F1: Soft, Medium, Hard).

(Materiales suaves tienen módulos bajos mientras que materiales mas duros tienen módulos altos)

Estos principales puntos pueden variar gradualmente dependiendo de las temperaturas del caucho y de la frecuencia en la cual el caucho es estresado. [Este es el porqué los neumáticos son un “arte negro”]

Influencia de la frecuencia de estrés

El caucho se comporta muy diferente cuando es sometido a mucho estrés (frecuencia alta). Volviendo al ejemplo pistón/muelle, a una baja frecuencia, la deformación es lenta así que la fuerza requerida para mover el pistón es baja, la cual, resulta en menor resistencia en el aceite y esto significa que el muelle se vuelve el elemento dominante y obliga consecuentemente a que la histéresis sea baja.

Por otro lado, una frecuencia alta, requiere una fuerza mayor para mover el pistón a través del aceite, la cual incrementa la resistencia, haciendo ahora al pistón el elemento dominante. En la realidad, esto significa que el caucho se comporta de manera viscoelástica. Aquí podemos ver entre el desplazamiento y fuerza, tal que la histéresis es alta:

La histéresis ayuda a generar las fuerzas de fricción dentro el neumático que producen el grip o agarre. Por lo cual las altas frecuencias son preferibles porque es donde la histéresis es mayor. Sin embargo, si la frecuencia es demasiada alta, entonces el caucho puede entrar en un estado “vidrioso” donde la viscosidad es baja.

Influencia de temperatura

Es bien sabido que los neumáticos cuando no están en su punto de temperatura ideal. El coche no tiene el mismo agarre en la pista, bueno pues aquí entra la influencia de temperatura ya que, a baja temperatura, el modulo o “banda del neumático” es alta tal que entra en un estado rígido, mientras que, a altas temperaturas, el módulo del neumático es bajo haciendo que este sea flexible y elástico, en otras palabras, tener grip.

Los pilotos quieren tener los neumáticos tan viscosos como sea posible porque la flexibilidad del caucho, como ya lo vimos antes, ayuda a generar las fuerzas de fricción que producen agarre al asfalto. El caucho es más viscoso en temperaturas intermedias, llamadas también temperatura de transición vidriosa.

Equivalencia Frecuencia – Temperatura

Todo esto recae en una relación proporcionalmente inversa entre el incremento de temperatura y la disminución en la frecuencia de estrés en el caucho. Esto visto de otra manera es que, cuando la frecuencia de estrés es incrementada a una dada temperatura; el caucho se vuelve rígido. Y cuando la temperatura incrementa a una dada frecuencia; el caucho se vuelve suave.

Pirelli ha hecho un par de test post-race en esta temporada 2019. Tanto ingenieros de Pirelli, así como los ingenieros de equipos, deben saber a lo que enfrentan estos nuevos neumáticos. Esta es ciertamente parte de la información que obtienen, los datos y gráficos que generan para así determinar como se comporta el caucho en esos neumáticos y tener un panorama mas amplio de cara hacia la temporada 2020.

Estos temas de ingeniería y matemáticas aplicadas requieren años de práctica y tal vez, solo tal vez, ser un ingeniero de F1, pero solo soy un aficionado a las carreras que trata de comprender que hay detrás de un coche dando vueltas. Si estás tan confundido como yo, cuando recién tomaba mis clases de resistencia de materiales, resumiré esto tan simple como tomar una masa, llámese pasta adhesiva, plastilina, silicona, el mismo caucho, etc.

Inicialmente esta masa es fría y rígida. Sin embargo, conforme la estemos manejando o moldeando (estresándola) se tornará más caliente (debido a la histéresis) y así se convierte en una masa mas manejable y menos rígida. El mayor tiempo que pasemos moldeándola (frecuencia alta) más caliente se pondrá y mas flexible. Así es cómo funcionan las lecturas de los neumáticos, claro falta hablar de otro factor importante que es el desgaste, pero eso será para otra ocasión.

 

Autor del artículo: Erick Hernández

Imágenes: Pirelli.com, Tyre and Vehicle dynamics 3rd edition.