En la conducción de automóviles, ¿por qué el deslizamiento de las ruedas provoca la pérdida de control?

¡Porque la fricción es tu método de dirección! (- y de frenar y acelerar). Como comenta @MasonWheeler:

Este es un principio tan importante que tiene un nombre especial: en el contexto específico del uso de la fricción aplicada al movimiento directo, la fricción también se conoce como tracción .

Giro / dirección

La fricción es lo que te hace girar a la izquierda en una esquina: giras las ruedas que dirigen la fricción en la dirección correcta. De hecho, al girar las ruedas cambias la dirección de fricción para que tenga un componente lateral. Luego, la fricción empuja las ruedas gradualmente hacia los lados y esto da como resultado que todo el automóvil gire.

Sin fricción, no puede hacer esta dirección . No importa cómo gire las ruedas, no aparecerá ninguna fuerza que lo empuje hacia los lados y provoque un giro. Sin fricción, el automóvil se desplaza aleatoriamente de acuerdo con la inclinación de la superficie, independientemente de lo que haga y de cómo giren las ruedas.

Frenar y acelerar

Acelerar y frenar (aceleración negativa) requiere algo para empujar hacia adelante o algo a lo que agarrarse. Ese algo es el camino. Y la fricción es el empuje y el tirón. Sin fricción significa que no hay tracción ni empuje, y frenar y acelerar se vuelve imposible.

Entonces, la fricción es muy, muy importante en cualquier tipo de movimiento controlado de vehículos que están en contacto con el suelo. Incluso al patinar sobre hielo, no tendría ninguna posibilidad si el hielo fuera 100% suave.

Ahora debería ser fácil comprender que es un problema pasar de la fricción estática (sin deslizamiento de las llantas) a la fricción cinética (las llantas patinan y patinan), simplemente porque la fricción cinética es menor que la fricción estática máxima.

Si frena, por ejemplo, es mejor tener fricción estática, porque puede alcanzar valores más altos que la fricción cinética y, por lo tanto, puede detenerlo de manera más efectiva.

Si bien la diferencia de manejo tiene que ver con las diferencias entre la fricción estática y cinética, no es la diferencia entre los coeficientes de fricción estática y cinética lo que explica la pérdida de control, sino la dirección de la fuerza de fricción.

Como han explicado otros, al rodar sin deslizar, el punto de contacto entre la carretera y el neumático está estacionario. En la fricción estacionaria, la fuerza de fricción se dirige en cualquier dirección que sea necesaria para evitar que se produzca un deslizamiento. Cuando gira las ruedas de su automóvil, el movimiento hacia adelante ocurre en la dirección de rodadura sin que el punto de contacto se deslice, y la fuerza de fricción estática se dirige principalmente en dirección perpendicular a la dirección de rodadura, proporcionando la fuerza centrípeta necesaria para que su automóvil gire en la esquina.

Pero en el momento en que los neumáticos empiezan a patinar en la carretera, el punto de contacto deja de estar estacionario. Y cuando hay deslizamiento en el punto de contacto, la fuerza de fricción cinética se dirige en dirección opuesta a la dirección del deslizamiento. Incluso si la fuerza de fricción total sigue siendo la misma, de repente ya no proporciona la aceleración centrípeta necesaria para doblar la esquina, sino que desacelera linealmente su automóvil. Lo que significa que te sales de la carretera a una velocidad más lenta que cuando tomabas una curva, pero aun así terminas en una zanja.

Una situación similar puede ocurrir al frenar con un fuerte viento cruzado. Mientras rueda sin deslizarse, la fricción estacionaria contrarresta la fuerza lateral del viento para evitar el deslizamiento. Pero si bloquea las ruedas y comienza a deslizarse, la fuerza de fricción cinética se aplica en contra de la dirección del deslizamiento, es decir, principalmente hacia atrás, y sin fricción que se oponga, el viento de repente puede empujar su automóvil hacia otro carril.

O cuando intente sacar el corcho de una botella: si es demasiado difícil sacarlo en línea recta, puede que le resulte más fácil hacerlo girar. En el momento en que comienza a girar, incluso la más mínima fuerza aplicada hacia arriba hará que el corcho se mueva, porque la mayor parte de la fricción ocurre en la dirección perpendicular.

En el hielo, como la superficie es tan resbaladiza, es posible que el neumático siempre se deslice hasta cierto punto. Debido a que la llanta ahora gira más rápido de lo necesario para la velocidad del automóvil, un punto en su circunferencia cubrirá una distancia mayor que el automóvil. En otras palabras, en lugar de estar estacionario con respecto al suelo , el punto de contacto se mueve.

Ahora, ¿cómo afecta esto al control del coche?

Si observa los gráficos de fricción frente a la fuerza aplicada , verá que la fricción aumenta con la fuerza, hasta que se produce el movimiento. Luego cae de repente.

Para explicar esto, debes darte cuenta de que, a medida que aplicas más fuerza a un objeto y no hay movimiento del objeto, la fuerza de fricción tiene que aumentar con la fuerza aplicada: si las dos no fueran iguales, el objeto comenzaría a moverse. , de acuerdo con las leyes de movimiento de Newton. Una vez que la fuerza supera cierto punto, la fricción ya no puede resistirla y el objeto comienza a moverse. En ese punto, la fuerza de fricción cae dramáticamente.

Puedes entender por qué cuando piensas en todas las pequeñas imperfecciones de las 2 superficies (el objeto y el sustrato). Estas imperfecciones tienden a engranarse entre sí, evitando que el objeto se mueva. Una vez que el objeto se mueve, las protuberancias ya no tienen tiempo de caer en las depresiones; en cambio, simplemente se deslizan por la parte superior. Por lo tanto, la fricción disminuye.

¿Qué tiene que ver todo esto con un neumático? Debe darse cuenta de que el punto de contacto entre el neumático y la carretera está estacionario con respecto a la carretera. El punto de contacto es diferente de un momento a otro, pero cada uno de esos puntos está estacionario en el camino. Solo cuando la rueda se bloquea o resbala, el punto de contacto realmente comienza a moverse. En ese punto pierdes tracción.

Así, sobre el hielo, debido a que el punto de contacto con el hielo no es estacionario, la fricción por deslizamiento disminuye y se pierde el control del automóvil.

Como todas las respuestas han mencionado, el motivo del deslizamiento es el cambio del coeficiente de fricción de mayor a menor cuando se pasa de fricción estática a dinámica. el motivo del derrape y la pérdida de control consta de dos partes:

La física del movimiento y el exceso de dirección del conductor.

1- Los neumáticos tienen bandas de rodadura y muescas diseñadas para impresionar el hielo y hacer una arboleda microscópica temporal poco profunda para ayudar a la tracción y la dirección incluso en condiciones de hielo.
Lo hacen mediante ranuras inclinadas en sus bandas de rodadura que se flexionan para que el automóvil gire suavemente. Cuando el neumático se desliza más rápido que la velocidad del automóvil, muele estas huellas y se sale del camino recto y pierde contacto con la carretera. Cuando comienza el derrape, la suspensión que se contrajo bajo las cargas dinámicas se libera y se expande repentinamente en un tirón, lo que provoca más inestabilidad y pérdida de autoridad de los controles, como el inicio de giros bruscos.
2- El conductor que no está acostumbrado al nuevo regimiento de baja fricción piensa que si gira demasiado podría recuperar el control, pero exacerba la situación al atravesar cualquier pequeña huella que haya dejado el neumático y destruir la tracción débil que comienza a desarrollarse.

La mejor manera de recuperar el control es aprovechar el impulso del automóvil, soltar el pedal del acelerador suavemente y no girar momentáneamente y dejar que el automóvil establezca una trayectoria recta, luego, cuando la tracción esté segura, gire suavemente y con cuidado.

La pérdida de control al inicio del derrape se debe al rápido cambio en el coeficiente de fricción entre la banda de rodadura del neumático y la carretera de estático a dinámico. El coeficiente de fricción estática es mayor que el coeficiente de fricción dinámica. Esta disminución muy rápida de la fuerza de fricción requiere que el conductor del vehículo reaccione muy rápidamente, especialmente al cambiar de dirección.

La regla general es que, después de quitar el pie de los pedales del acelerador y del freno, gire en la dirección en la que viaja el vehículo, ya que esto produce el área máxima de la banda de rodadura del neumático con la carretera.
Entonces, si el automóvil patina hacia la izquierda, gire hacia la izquierda.

En general, si el coeficiente de fricción entre la banda de rodadura del neumático y la carretera es más bajo, la carretera puede ejercer menos fuerza sobre el automóvil y, por lo tanto, se reduce la capacidad del conductor para cambiar la dirección y la velocidad del automóvil.

En términos simples, los neumáticos deben lidiar con dos tipos de fuerza. Las primeras son las fuerzas longitudinales (frenado y aceleración) y las segundas las fuerzas laterales provocadas por las curvas.

Las fuerzas de las curvas son análogas a la tensión en una cuerda con peso que se balancea alrededor de su cabeza y resisten la tendencia del automóvil a continuar en línea recta.

Las ruedas de un automóvil giran fácilmente en una dirección (ya que giran sobre cojinetes), pero proporcionan una alta fricción en cualquier otra dirección (puede empujar fácilmente un automóvil hacia adelante pero no hacia los lados).

Para cambiar la dirección de un automóvil necesitas cambiar su impulso y así ejercer una fuerza sobre él. Esto se logra girando las ruedas de modo que cambie su sentido de giro libre con respecto al sentido de marcha. Esto crea una fuerza de reacción en la superficie de contacto entre el neumático y la carretera que se transmite a través de las paredes laterales a las ruedas, la suspensión y la estructura principal del automóvil.

La fuerza total que puede soportar un neumático es limitada y es una combinación de las fuerzas laterales y longitudinales que actúan sobre él, por lo que si está frenando o acelerando, está "gastando" parte de la fricción total disponible.

Entonces, una vez que un neumático comienza a patinar, de repente hay mucha menos diferencia en la fricción entre rodar y deslizarse.

Claramente, una vez que una rueda está realmente girando, ha ido más allá de este límite. En el caso de los neumáticos de goma, el coeficiente de fricción por deslizamiento es mucho menor que el de la fricción estática (de rodadura).

Si hace girar las ruedas cuando acelera en línea recta, pierde tracción pero no pasa mucho más, sin embargo, hay muy poca resistencia a las fuerzas laterales y, por lo tanto, la rueda que gira puede deslizarse muy fácilmente.

Si las ruedas traseras interrumpen la tracción, se produce un supervisor y las ruedas traseras se deslizarán alejándose del centro del radio de la curva (hacia el exterior de la curva). Si no se corrige de inmediato, esto puede provocar una pérdida total de control y un trompo. .

Si la rueda delantera pierde tracción, se produce el subviraje , el efecto de giro de las ruedas delanteras se reducirá en gran medida, lo que hará que el automóvil continúe recto o al menos siga un radio de giro mucho más grande de lo previsto.

Para decirlo de otra manera, una vez que las ruedas comienzan a deslizarse y, por lo tanto, reducen la fricción con la superficie de la carretera, ya no tiene ninguna forma efectiva de cambiar el impulso del automóvil. Lo crucial es que el coeficiente de fricción por deslizamiento de un neumático es mucho menor que el coeficiente de fricción estática.