¿Por qué la baja presión de los neumáticos aumenta la fricción?

Siempre pensé que era porque la fuerza de fricción en el neumático aumentaba debido a que el abultamiento de los neumáticos aumentaba el área de superficie en contacto con la carretera. Sin embargo, un colega mío me recordó que la fuerza de fricción es independiente del área superficial. Entonces, ¿por qué se reduce la economía de combustible cuando la presión de los neumáticos es baja?

Este es un mito que ha sido refutado por las pruebas. Los fabricantes establecen las presiones de los neumáticos para un rendimiento óptimo. Aumentar o disminuir los valores óptimos del fabricante es menos eficiente en combustible y más peligroso (ya que sufren el manejo y el frenado). "Nada menos que una fuente que Mythbusters" probó esto y descubrió que la reducción de la presión aumenta el consumo de combustible. Y casi todas las empresas y agencias automotrices también lo han probado, pero a quién le importa lo que digan, ¿verdad? :-)
@StephenG, parece que estás argumentando en contra de algo, pero no está ni remotamente claro a qué "esto" te refieres, y nada de lo que dijiste después de eso contradice la publicación...
@StephenG No es un mito que la baja presión de los neumáticos provoque un bajo consumo de combustible; la pregunta no hace ninguna afirmación sobre la otra dirección. Los fabricantes de llantas no pueden establecer la presión óptima de las llantas porque dependen de (a) la carga (peso del vehículo) y (b) la superficie (en resumen, las carreteras con baches, como algunas sin pavimentar, necesitan una presión de llanta más baja para lograr eficiencia en comparación con caminos suaves). Los vehículos de pasajeros tienen presiones de neumáticos recomendadas escritas en el panel de la puerta; estos no cambian cuando cambia los neumáticos a una marca/modelo diferente, de la misma dimensión, en las mismas llantas.
@StephenG: Si bien los fabricantes de automóviles establecen la presión de los neumáticos para lograr un rendimiento óptimo, el ahorro de combustible rara vez, si es que alguna vez, influye en su definición de rendimiento. Para la mayoría de los vehículos convencionales, la "comodidad" de conducción (es decir, la detestable sensación de "manejar como una cama de agua") es el factor principal. Si tiene un automóvil con un medidor de mpg (o simplemente realiza un seguimiento del consumo de combustible durante un período), puede ver esto por sí mismo: inflar las llantas muy por encima de las especificaciones del fabricante de automóviles (manteniéndose dentro de la presión nominal de las llantas) aumentará significativamente economía de combustible y, a menudo, también mejora el manejo.
Parece que un neumático que no estaba inflado también tendría un diámetro neto más pequeño y tomaría giros adicionales para alcanzar una distancia determinada. ¿Podría ser eso también un factor en la menor economía de combustible?
@MichaelKaras Hmmm. Pero la circunferencia de la banda de rodadura del neumático no puede cambiar, ya que hay cinturones de acero debajo de la banda de rodadura. Además, las revoluciones de la banda de rodadura están fijadas a las del eje de la rueda 1:1.
@Kaz = Pero me parece que si el neumático no está inflado, entonces la distancia desde la superficie de la carretera hasta el centro del eje es menor que con un neumático completamente inflado. Por lo tanto, el radio de rotación neto es menor.

Respuestas (6)

Una presión más baja aumenta el contacto con la superficie y aumenta la fricción estática, y la fricción estática no implica pérdida de calor, por lo que es bueno. Pero la fricción de rodadura no es buena e implica pérdida de calor.

El calentamiento por fricción de rodadura se debe a la deformación inelástica que experimenta el caucho del neumático cuando está en contacto con la carretera. Consulte este artículo sobre resistencia a la rodadura de Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Rolling_resistance

Cuando el caucho está en contacto con la carretera por cada revolución, se comprime y luego se expande cuando sale de la superficie. La compresión y expansión no es perfectamente elástica, por lo que hay pérdida de calor en forma de fricción. Cuanto menor sea la presión de los neumáticos, más caucho estará en contacto con la carretera en cada revolución y mayor será la pérdida de calor por fricción. Estas mayores pérdidas de calor se suman a una menor economía de combustible.

Espero que esto ayude.

La magnitud de la deformación del neumático y, por lo tanto, la pérdida por histéresis es mayor cuando la presión en el neumático es menor.
@Farcher Estoy de acuerdo, pero excepto por el uso del término "pérdida por histéresis", creo que estoy diciendo lo mismo, ya que digo que la deformación es mayor a menor presión. ¿Estarías de acuerdo?
Y esta es una de las razones por las que obtienes un kilometraje mucho peor en climas fríos: el caucho es más rígido y mucho menos elástico.
La presión de los neumáticos de @Sherwood Botsford cae en climas fríos, lo que aumenta la resistencia a la rodadura. Hay muchas otras razones para reducir el mpg en climas fríos
Gracias @BobD, así que si entiendo, ¿este es el mismo fenómeno que causaría que la goma se caliente cuando se dobla?
@jodag Esencialmente sí. Pero en este caso es el "apretar" y "desapretar" de la goma, o dicho de otro modo, la repetida compresión y descompresión de la goma.
@BobD: Dato curioso, doblar también es "apretar" y "desapretar": la goma en el lado interior de la curva se comprime y el lado exterior se anticomprime (es decir, se estira).
@Rahul Quizás, pero miro la flexión un poco diferente. El lado interior está en compresión (apretado) y el lado exterior en tensión (estirado). El lado en tensión está realmente sujeto a un esfuerzo de tracción. Cuando el neumático está en contacto con la carretera, el caucho está sujeto a esfuerzos de compresión. Cuando termina el contacto, la fuerza de compresión simplemente se elimina, lo que permite que el caucho quede indefinido pero no sujeto a tensión.
Además, el calor acumulado por la fricción de la rodadura puede dañar el neumático. Se juntan con calor y se separan con calor. Si alguna vez necesita reducir la presión de los neumáticos (por ejemplo, hasta 1 bar/15 psi al conducir sobre arena blanda), conduzca despacio y aumente la presión cuando pueda.

La fricción estática en realidad no reduce la economía de combustible. Sin él, tus ruedas patinarían, así que es algo bueno.

Lo que causa la pérdida de economía de combustible es la resistencia a la rodadura. Esto se debe a la histéresis; energía perdida debido a la deformación cíclica del neumático mientras rueda.

No es una gran analogía, pero imagina el neumático parcialmente inflado como un disco con el eje descentrado. Cuando se hace rodar, el eje oscilará hacia arriba y hacia abajo, es decir, se perderá algo de energía al poder contribuir al movimiento hacia adelante.

En su caso, el eje no se mueve hacia arriba y hacia abajo, pero se pierde energía para remodelar el tite de abultamiento en un lado a abultamiento en el otro con cada media revolución.

Paul, la fricción estática no reduce la economía de combustible y, como usted dice, es necesaria para acelerar su automóvil. Pero la fricción por deslizamiento y la fricción por rodadura reducen el consumo de combustible. Estas formas de fricción producen calor. Y el calor quita energía para realizar un trabajo útil (como llevar su automóvil de A a B). Por lo tanto, necesita más energía (gas) para ir de A a B con fricción deslizante o rodante que sin ella.
Si puedo sugerir, agregue la palabra "Estático" a la fricción al comienzo de su respuesta. Beto
Sí. Buen consejo.
@BobD: ¿En qué fricción deslizante está pensando para este problema? Si la rueda patina (como conducir sobre una superficie resbaladiza), cuanto menor sea el coeficiente de fricción, mayores serán los costos de energía: por ejemplo, para una fuerza de resistencia del aire fija F y un coeficiente de fricción del suelo viscoso mu, pérdida de potencia en el suelo escalas de contacto como P = mu * (v_slip) ^ 2, y la velocidad de deslizamiento para proporcionar la fuerza hacia adelante es v_slip = F / mu, por lo que las escalas de pérdida de potencia como P = F ^ 2 / mu: cuanto mayor es mu, más cerca está el rueda es para que no resbale, y se pierda menos potencia por la fricción con el suelo.
@RLH No estoy pensando en absoluto en la fricción deslizante en este problema. Solo sobre la fricción de rodadura. Solo mencioné la fricción por deslizamiento porque esa es otra posible pérdida por fricción. Pero la respuesta a la pregunta del OP solo implica fricción de rodadura.
@BobD Sí, pero su comentario establece que la fricción "deslizante" en contraste con la fricción estática cuesta energía. Cuanta más fricción deslizante (medida por el coeficiente) hay entre la rueda y el suelo, menos potencia se pierde por esa fricción.
@RLH Lo siento, simplemente no entiendo tu punto. Estoy seguro de que es mi culpa
@BobD Mi punto es que no podemos simplemente decir "la fricción deslizante disminuye la eficiencia". La fricción de deslizamiento entre la carrocería del automóvil y el suelo (si el automóvil, por ejemplo, arrastrara un silenciador) reduciría la eficiencia del combustible, y reducir este coeficiente de fricción (por ejemplo, engrasar el silenciador) mejoraría la eficiencia del combustible. Si la rueda está resbalando contra el suelo pero sigue impulsando el automóvil hacia adelante (como conducir en barro), mientras más fricción de deslizamiento haya entre la rueda y el suelo, más cerca estará de tener un agarre estático (sin pérdidas), menos se pierde potencia y mayor es la eficiencia.

Tengo una intuición ligeramente diferente sobre este punto que las otras respuestas, lo que puede ayudar.

Imagina que estás montando una patineta o patines (con ruedas muy duras) sobre una superficie de goma blanda. En este caso, no es la rueda la que se deforma, sino la superficie:

rueda dura

La interfaz rueda/superficie se deforma exactamente en la cantidad correcta en la que la carga en la rueda se equilibra con la fuerza hacia arriba de la superficie.

Ahora, para que su rueda avance en el siguiente incremento, tiene que ir "cuesta arriba" para salir de la abolladura que ha causado en la superficie. Puede pensar en el progreso de la rueda como una serie de "escaladas" fuera de la depresión, seguidas por el colapso vertical de la superficie nuevamente bajo el peso. Por supuesto, en realidad, tu progreso no se realizará de esta manera, estarás empujando una zona de goma comprimida frente a la rueda, pero el resultado es el mismo. Si alguna vez ha intentado andar en patineta sobre el césped o empujar una silla de paseo en la playa, habrá experimentado este problema.

Para un automóvil (y la mayoría de las otras interfaces de rueda/superficie), la rueda es más suave que la superficie, por lo que la rueda se deforma, no la superficie:

rueda deformada

Por eso es mucho más eficiente que las bicicletas tengan ruedas de mayor diámetro; el punto plano en la parte inferior de la rueda puede ser tan grande como sea necesario, pero el ángulo entre el punto plano y el siguiente milímetro del neumático será menor cuanto más grande sea la rueda:

Tamaños de ruedaAmbos círculos están en contacto con la línea negra con un punto plano del mismo tamaño, pero el círculo rojo está mucho más deformado que el azul.

Además, la "colina" que ha subido la rueda más pequeña es mucho más empinada que la rueda más grande, como lo muestran los ángulos A y B.

Finalmente, creo que es un poco abstracto pensar en el consumo de combustible. Debes imaginar cuánto más difícil sería 1) andar en bicicleta con los neumáticos pinchados, 2) empujar un coche con los neumáticos pinchados. Se necesitaría más energía. En su automóvil, la energía proviene de su tanque de gasolina, por lo tanto, obtiene una cifra de mpg más baja cuando sus llantas no están infladas.

Cuando se utilizan neumáticos, la "fricción de rodadura" representa el esfuerzo necesario para remodelar continuamente el neumático. Cuanto menor sea la presión en el neumático, mayor será la cantidad de deformación a medida que rueda y, por lo tanto, se requerirá más trabajo para lograr dicha deformación. Si uno tuviera que inflar los neumáticos lo suficiente como para que apenas se deformaran al rodar, esta fricción se reduciría en gran medida (mejorando así la economía de combustible), pero se sacrificarían las ventajas de rendimiento y manejo de los neumáticos.

Si uno condujera un automóvil con ruedas absolutamente rígidas, cada pequeño bache en la superficie de la carretera haría que la fuerza entre la rueda y el suelo aumentara cuando el automóvil golpea el bache, y luego disminuiría tan pronto como la rueda pasara. Debido a que la fuerza de frenado está limitada tanto por los frenos como por la tracción, los aumentos momentáneos en la tracción no la mejorarán, pero las disminuciones momentáneas en la tracción la reducirán. Las llantas neumáticas minimizan este problema porque el área de contacto se puede remodelar continuamente para minimizar el aumento de fuerza al golpear un bache y, por lo tanto, la inevitable reducción de fuerza posterior.

La razón por la que las presiones de los neumáticos se indican en los vehículos y no en los neumáticos es que la cantidad de presión necesaria para limitar la deformación al nivel óptimo variará según el peso del vehículo. Idealmente, los neumáticos proporcionarían una tabla de presiones de inflado recomendadas según el peso del vehículo, pero la mayoría de los vehículos están diseñados para usarse con una gama relativamente estrecha de tamaños de neumáticos, y los neumáticos de un tamaño dado tenderán a tener recomendaciones de inflado similares. La presión óptima exacta para las llantas de diferentes fabricantes no será idéntica, pero la mayoría de las llantas funcionarán razonablemente bien en un rango de presiones lo suficientemente amplio como para que la presión elegida para una llanta típica funcione razonablemente bien, aunque no de manera óptima. -para otros neumáticos de tamaño similar.

La fricción es independiente del área de la superficie y solo se aplica a superficies lisas. Las carreteras son irregulares: el neumático se deforma constantemente por las irregularidades de la carretera. Puede ver esto en tiempo real si su automóvil tiene un medidor de economía de combustible bastante sensible: en igualdad de condiciones, cuanto más accidentado sea el camino, peor será la economía de combustible.

Para una demostración práctica, considere dos extremos: la alta resistencia a la rodadura de los neumáticos anchos y de baja presión que utilizan los vehículos todoterreno (y los aspirantes) y la muy baja resistencia a la rodadura de las ruedas de acero inflexibles sobre los rieles de acero de los trenes.

La calle se mueve con rapidez lineal constante debajo de la llanta, pero el exterior de la llanta se mueve con rapidez angular constante. Cuanto más contacto tiene el neumático con la carretera en un momento determinado, más discrepancia se produce entre las partes móviles del neumático y la carretera en movimiento. Esta discrepancia se resuelve hasta cierto punto por frotamiento. Provoca pérdida de energía y material.

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