¿Es correcto que los neumáticos se desgastan rápidamente cuando se usan a alta velocidad?

Dejando mis reflexiones conceptuales en los comentarios ¹ por lo que son, también encontré algunas pruebas (presuntamente) experimentales.

Esto aparentemente es de un estudio de Pirelli ² . Pero no puedo encontrar el estudio en sí. ¿Estos autos (o bicicletas) están en caminos normales, en un óvalo? ¿Quién sabe? Realmente no sé "la configuración experimental" que subyace en este gráfico. (El nombre es "tread-wear-func-avg-speed", que se ve bastante bien). Supongo que la "vida normal" se mide en$\text{km}$aquí.

Si está interesado en consejos prácticos, esto podría ser el truco. Pero si te interesa la física, esto no aporta mucho. :)

¹ De hecho, transfirí esos a aquí:

Una pequeña suposición que otros pueden usar o ridiculizar: las llantas se comprimen ligeramente en el lugar donde tocan la carretera y luego se descomprimen nuevamente en otro lugar (donde la llanta es más redonda). Esto produce calor. Si conduce despacio, este calor se escapará más fácilmente al medio ambiente que si conduce rápido. Por lo tanto, durante la misma distancia recorrida, un neumático de conducción rápida tendrá una temperatura más alta que un neumático de conducción lenta. Este calor hace algo al desgaste de la llanta. Mi problema es que no sé qué es ese algo y cómo depende de la temperatura exterior y de los neumáticos.

Además, pero creo que esto podría ser un factor menor, si conduces más rápido tienes más fricción con el aire. Creo (no muy seguro), esto tiene que ser superado por más fricción en el camino. Si tengo este derecho, entonces esto seguramente apunta hacia la calvicie de alta velocidad. Pero creo que el factor en mi comentario anterior es más grande (y más incierto).

Acabo de mirar "Resistencia a la rodadura" , donde detecté un tercer factor, este que apunta en la dirección opuesta: "se ha encontrado que la resistencia a la rodadura disminuye a medida que aumenta la temperatura (dentro de un rango de temperaturas: es decir, hay un límite superior para esto efecto)". Mi conclusión, hasta ahora, es... ¡Excelente pregunta!

² Además de producir neumáticos, también fabrican calendarios .

Creo que este problema se resuelve mucho más científicamente aplicando la mecánica clásica. La fricción es obviamente clave aquí, ya que eso es lo que hace que los neumáticos se calvo.

Primero veamos la forma en que calculamos la fricción cinética:

$f_k = \mu_k N$

Bastante simple, ¿verdad? N es la fuerza de contacto normal experimentada por el cuerpo para el cual estamos calculando la experiencia de fricción de la superficie.$\mu_k$es el coeficiente de fricción cinética y es una constante para dos superficies. Pero mire aquí, no hay ningún efecto de la velocidad que influya en la cantidad de fricción experimentada por un neumático ideal (es decir, un neumático que retiene su forma independientemente del calor aplicado sobre el neumático debido a la fricción).

Por lo tanto, no es probable que el movimiento a alta velocidad en línea recta dañe el neumático. Si bien puede haber cierta credibilidad en las otras respuestas que explican cómo se expande el área de la superficie de los neumáticos (y, en consecuencia, la fricción) cuando se mueve a altas velocidades, no hay evidencia de que la fricción durante la velocidad lineal alta en sí misma haga una diferencia porque la fricción cinética es constante para un objeto en movimiento, independientemente de su velocidad.

Pero, ¿y si consideramos el movimiento circular ?

Imagino que buena parte de los datos de Pirelli procedían de probar sus neumáticos en circuitos. Una buena parte de la mayoría de las pistas de carreras consiste en giros. Y aquí, la velocidad marca la diferencia .

Veamos la mecánica de cómo funciona esto:

Para un vehículo (o cualquier cosa) que se mueve en un círculo con una velocidad lineal constante, requiere una aceleración hacia el centro del círculo. Esta aceleración cambia el vector de dirección de la velocidad y se llama aceleración centrípeta .

...y se calcula mediante la expresión:

$a_c = v^2/r$

Multiplicando por la masa, obtenemos la fuerza centrípeta:

$F_c = mv^2/r$

Ahora, cuando un vehículo se mueve en una trayectoria curva, la fricción estática entre los neumáticos y la carretera evita que se deslice fuera de la trayectoria circular. Es fácil imaginar que si no hubiera suficiente fricción, el vehículo patinaría y chocaría contra las paredes de la pista circular.

La fricción estática viene dada por la misma expresión que la fricción cinética (excepto$\mu_s$es un coeficiente variable y depende de la suma de las fuerzas que actúan sobre el objeto:

$f_s = \mu_s N$

Y esto$f_s$está proporcionando la fuerza centrípeta.

Entonces,$f_s = mv^2/r$

¡Aquí podemos ver que la fricción dependerá del cuadrado de la velocidad del vehículo! Por lo tanto, tomar giros cerrados a alta velocidad creará mucha fricción estática entre los neumáticos y la superficie, ¡desgastándolos mucho más rápido!

Así que sí, conducir a altas velocidades definitivamente desgastará los neumáticos más rápido al tomar curvas, mientras que no hará una gran diferencia al conducir en línea recta.

Hay dos factores principales que aumentarán el desgaste de los neumáticos a alta velocidad.

En primer lugar, mayor fuerza, especialmente al acelerar, tomar curvas y frenar. Las fuerzas en las curvas son especialmente significativas porque aumentan con el cuadrado de la velocidad.

En segundo lugar, el aumento de la velocidad calentará los neumáticos, lo que los ablandará para que se desgasten más rápido. Los neumáticos de carreras están diseñados para dar su mejor agarre cuando están calientes (hasta 100 centígrados), pero se desgastan muy rápidamente.

Cuanto más rápido vayas, mayor será la resistencia del viento. Para mantener su velocidad, debe aplicar una fuerza que coincida con la resistencia del aire. Debido a que la única manera de hacer esto es a través de sus llantas, el parche de contacto de la llanta tiene fuerzas de cizallamiento mucho mayores.

La respuesta es directa. La potencia depende de la velocidad. Si la velocidad aumenta (y normalmente las fuerzas y los pares también aumentarán debido a la resistencia del aire en la carrocería del automóvil), la potencia aumenta, por lo tanto, más energía por tiempo y luego temperaturas más altas y más desperdicio del caucho del neumático.