Anteriormente se explicó cómo funcionaba el caucho de los neumáticos, lo siguiente es ver cómo es que su comportamiento afecta a su dinámica.

Ángulo de deslizamiento

Lo primero que debemos de saber es sobre el ángulo de deslizamiento. Esto es definido como el ángulo-grados, formados entre la dirección actual en la que viaja el neumático y la dirección ‘apuntada’ del mismo (es perpendicular al eje de rotación). Este ángulo siempre está presente cuando una aceleración lateral es experimentada en el monoplaza.

El diagrama anterior muestra cómo los elementos dentro de la zona de contacto se han desplazado en alineación con la dirección del viaje. Estos elementos vuelven a la condición neutral hacia la parte posterior de contacto a medida que la fuerza de reacción se reduce.

Cada vez que se introduce el ángulo de deslizamiento, el contacto se deforma a medida que las fuerzas laterales actúan sobre el neumático. Esta deformación genera tensión (alargamiento) dentro de la estructura molecular del caucho del neumático. Además, la elasticidad del compuesto del neumático resiste esta tensión que genera una fuerza normal al eje de rotación. Este ciclo de estiramiento-relajación, que el neumático repite cada revolución, también genera fricción interna y, por lo tanto, calor dentro del neumático; aumentando el agarre del neumático. Esto aumenta hasta un punto en el que la goma del neumático se ha sobrecargado y el agarre se reduce drásticamente, también conocido como “acantilado/declive”.

Tendencia típica en el ángulo de deslizamiento contra la fuerza lateral – un claro pico en la fuerza lateral se puede ver en alrededor de seis grados de ángulo de deslizamiento.

Relación de deslizamiento

El concepto de ángulo de deslizamiento se aplica al describir la producción de fuerza lateral solamente. En el sentido longitudinal, esto se conoce como la relación de deslizamiento. El índice de deslizamiento es similar al ángulo de deslizamiento, pero en lugar de medirse en el desplazamiento angular, relaciona la cantidad de deslizamiento que experimenta un neumático con respecto a una condición de deslizamiento. Por ejemplo, un índice de deslizamiento de 0 es un neumático que rueda libremente, y un índice de 1 es un neumático que ha perdido tracción. Una tendencia general que se observa en los neumáticos es un pico de fuerza longitudinal en una relación de deslizamiento de alrededor de 0,3 – 0,4.

Rigidez en curvas

Una medida fundamental de la capacidad de agarre de un neumático en el sentido lateral se conoce como la rigidez en las curvas. Se expresa como la fuerza generada por el grado de ángulo de deslizamiento (N/°). Para un ángulo de deslizamiento dado, un neumático con una mayor rigidez en las curvas producirá una mayor aceleración lateral, y esta es una medida clave del rendimiento de cualquier neumático.

Circulo de fricción

El último fundamento de la dinámica de los neumáticos, que es necesario comprender, es el del círculo de fricción o diagrama g-g. El círculo de fricción ilustra gráficamente los límites de un neumático que genera simultáneamente una aceleración longitudinal y lateral, y permite comprender cómo se conduce el vehículo en relación con esto.

El círculo azul denota la aceleración actual del coche. Aquí se muestra que está frenando mientras hace un leve giro a la izquierda.

En realidad, el diagrama g-g se parece más a una elipse que a un círculo perfecto, pero lo que hay que aprender de esto es que claramente un piloto no puede esperar el nivel de aceleración lateral que se genera en las curvas, mientras exige aceleración/frenado y viceversa. En un sentido práctico, esto significa que no se puede frenar o acelerar cuando se intenta alcanzar la máxima velocidad en las curvas. Del mismo modo, no se debe introducir una aceleración lateral cuando se intenta alcanzar el máximo esfuerzo de frenado o aceleración, de lo contrario se puede esperar una pérdida de tracción (oversteer/understeer).

Coeficiente de fricción

El coeficiente de fricción (CoF), a veces denominado mu (μ) relaciona la fuerza de fricción con la fuerza de reacción entre dos objetos en contacto. Es importante entender que el CoF no aumenta proporcionalmente con el aumento de la fuerza de reacción (carga vertical de los neumáticos). En otras palabras, la duplicación de la fuerza de reacción no duplica el CoF y por lo tanto no duplica el nivel de agarre del neumático.

Esto se vuelve importante para la dinámica de los vehículos de carreras en la comprensión de los niveles de agarre cuando la fuerza de reacción no se carga por igual a través de la izquierda y la derecha, o delante y detrás del coche debido a la transferencia de peso.

Gráfico de CoF vs fuerza de reacción mostrando la desproporción de su relación.

Imagina que la zona de contacto como una matriz de elementos discretos. Un neumático más ancho reduce la presión de contacto en cada elemento para un determinado peso del vehículo, lo que aumenta el CoF. Con esto, cada elemento del neumático es capaz de generar una fuerza ligeramente menor, pero este equilibrio es superado por la presencia de un mayor número de elementos (área de contacto). El efecto es un aumento neto del agarre del neumático. Esto también explica por qué los deportes de motor a menudo utilizan los neumáticos más grandes posibles en la búsqueda de rendimiento.

Factores que afectan a la adhesión

No sólo los factores intrínsecos inherentes a un neumático específico, como el compuesto de goma y la construcción, afectan a los niveles de adherencia. También hay una serie de factores extrínsecos que influyen en el CoF entre el neumático y la carretera. Se debe entender que estos influyen en ciertos comportamientos dinámicos del neumático en el coche de carreras a través del neumático.

Temperatura del compuesto

La temperatura del compuesto del neumático afecta a la adherencia al aumentar tanto la conformidad como la penetración de los picos y valles de la carretera en la zona de contacto. Esto también aumenta la tasa de reacción química entre el caucho del neumático y el asfalto, pero sólo hasta un punto, después del cual el neumático “se dispara” y los niveles de adherencia se reducen.

Gráfico que muestra la relación entre el CoF y la temperatura compuesta.

Presión

Debido a la naturaleza flexible del caucho de los neumáticos, la presión de inflado introduce una deformación en la superficie de contacto, que va desde un perfil cóncavo (baja presión) hasta un perfil convexo (alta presión). Esto afecta a la superficie contacto. En algún lugar entre ambos se encuentra un perfil plano que proporciona la máxima área de contacto y la óptima adherencia.

Curiosamente, debido a esto, a veces si los equipos están luchando por la temperatura de los neumáticos, aumentan la presión de los mismos, lo que resulta en un perfil convexo y una zona de contacto muy estrecha. Esta zona de contacto se calienta más rápido y luego se irradia por el resto del neumático aumentando su temperatura general.

Sin embargo, es importante comprender las propiedades de la cantidad de presión para un volumen dado, si la temperatura aumenta, también lo hace la presión – lo que lleva a un efecto compuesto tanto de la reducción de la adhesión como de la reducción del área de la mancha de contacto.

Condiciones de pista

Variables como la rugosidad de la superficie de la pista, humedad, suciedad, todas influyen en el nivel de adhesión.

La rugosidad de la superficie puede ser descrita por la micro y macro rugosidad.

En general, en la búsqueda de maximizar la rigidez en las curvas, el CoF debe ser maximizado en todo momento. Por eso, los neumáticos, el chasis de la suspensión y la configuración a punto del coche son herramientas vitales que pueden ayudar a afinar el agarre de los neumáticos.

Pero estos temas los abordaremos mas adelante. Por el momento debemos de entender parte de los datos que el ingeniero de carrera y los estrategas monitorean para poderle dar al piloto una ventana de pits, sin comprometer tiempos de vuelta y, a su vez, garantizarle la puesta a punto de los neumáticos una vez se reincorpore a la carrera.

 

Autor del artículo: Erick Hernández

Imágenes: Michelin Tire Grip, Performance Vehicle Dynamics, Alpha Tauri F1 Team, Renault Sport Racing