La resistencia al rodamiento , a veces llamada fricción rodante o arrastre rodante , es la fuerza que resiste el movimiento cuando un cuerpo (como una pelota , neumático o rueda ) rueda sobre una superficie. Es causado principalmente por efectos no elásticos ; es decir, no se recupera toda la energía necesaria para la deformación (o movimiento) de la rueda, lecho de la carretera, etc., cuando se elimina la presión. Dos formas de esto son las pérdidas por histéresis (ver más abajo ) y la deformación permanente (plástica) del objeto o la superficie (por ejemplo, el suelo). Tenga en cuenta que el deslizamientoentre la rueda y la superficie también da como resultado la disipación de energía. Aunque algunos investigadores han incluido este término en la resistencia a la rodadura, algunos sugieren que este término de disipación debe tratarse por separado de la resistencia a la rodadura porque se debe al par aplicado a la rueda y al deslizamiento resultante entre la rueda y el suelo, que se denomina pérdida por deslizamiento. o resistencia al deslizamiento. [1] Además, solo la denominada resistencia al deslizamiento implica fricción , por lo que el nombre "fricción por rodadura" es, hasta cierto punto, inapropiado.
En analogía con la fricción por deslizamiento , la resistencia a la rodadura se expresa a menudo como un coeficiente multiplicado por la fuerza normal. Este coeficiente de resistencia a la rodadura es generalmente mucho menor que el coeficiente de fricción por deslizamiento. [2]
Cualquier vehículo con ruedas que se desplaza por inercia se ralentizará gradualmente debido a la resistencia a la rodadura, incluida la de los cojinetes, pero un vagón de tren con ruedas de acero que se desplazan sobre rieles de acero rodará más lejos que un autobús de la misma masa con neumáticos de caucho que se desplacen sobre la pista. Los factores que contribuyen a la resistencia a la rodadura son la (cantidad) de deformación de las ruedas, la deformación de la superficie de la calzada y el movimiento debajo de la superficie. Otros factores que contribuyen incluyen el diámetro de la rueda , [3] carga sobre la rueda , adherencia a la superficie, deslizamiento y microdeslizamiento relativo entre las superficies de contacto. Las pérdidas debidas a la histéresis también dependen en gran medida de las propiedades del material de la rueda o neumático y de la superficie. Por ejemplo, un neumático de caucho tendrá mayor resistencia a la rodadura sobre una carretera pavimentada que un acero de la rueda de ferrocarril en un carril de acero. Además, la arena en el suelo dará más resistencia a la rodadura que el hormigón . El factor de resistencia a la rodadura de la suela no depende de la velocidad.
Causa primaria
La principal causa de la resistencia a la rodadura de los neumáticos es la histéresis : [5]
Una característica de un material deformable tal que la energía de deformación es mayor que la energía de recuperación. El compuesto de caucho de un neumático presenta histéresis. A medida que el neumático gira bajo el peso del vehículo, experimenta ciclos repetidos de deformación y recuperación, y disipa la pérdida de energía de histéresis en forma de calor. La histéresis es la principal causa de pérdida de energía asociada con la resistencia a la rodadura y se atribuye a las características viscoelásticas del caucho.
- - Academia Nacional de Ciencias [6]
Este principio fundamental se ilustra en la figura de los cilindros rodantes. Si se presionan dos cilindros iguales, la superficie de contacto es plana. En ausencia de fricción superficial, las tensiones de contacto son normales (es decir, perpendiculares) a la superficie de contacto. Considere una partícula que ingresa al área de contacto por el lado derecho, viaja a través del parche de contacto y sale por el lado izquierdo. Inicialmente aumenta su deformación vertical, que es resistida por el efecto de histéresis. Por tanto, se genera una presión adicional para evitar la interpenetración de las dos superficies. Posteriormente su deformación vertical va disminuyendo. Esto es nuevamente resistido por el efecto de histéresis. En este caso, esto disminuye la presión necesaria para mantener separados los dos cuerpos.
La distribución de presión resultante es asimétrica y se desplaza hacia la derecha. La línea de acción de la fuerza vertical (agregada) ya no pasa por los centros de los cilindros. Esto significa que ocurre un momento que tiende a retardar el movimiento de balanceo.
Los materiales que tienen un gran efecto de histéresis, como el caucho, que rebota lentamente, presentan más resistencia a la rodadura que los materiales con un pequeño efecto de histéresis que rebotan más rápida y completamente, como el acero o la sílice. Los neumáticos de baja resistencia a la rodadura suelen incorporar sílice en lugar de negro de humo en los compuestos de la banda de rodadura para reducir la histéresis de baja frecuencia sin comprometer la tracción. [7] Tenga en cuenta que los ferrocarriles también tienen histéresis en la estructura del lecho de la carretera. [8]
Definiciones
En un sentido amplio, la "resistencia a la rodadura" específica (para vehículos) es la fuerza por unidad de peso del vehículo requerida para mover el vehículo en un terreno llano a una velocidad lenta constante donde la resistencia aerodinámica (resistencia del aire) es insignificante y también donde no hay tracción. Fuerzas (del motor) o frenos aplicados. En otras palabras, el vehículo estaría navegando si no fuera por la fuerza para mantener una velocidad constante. [9] Este sentido amplio incluye la resistencia de los cojinetes de las ruedas, la energía disipada por la vibración y oscilación tanto del lecho de la carretera como del vehículo, y el deslizamiento de la rueda sobre la superficie del lecho de la carretera (pavimento o riel).
Pero hay un sentido aún más amplio que incluiría la energía desperdiciada por el deslizamiento de las ruedas debido al par aplicado desde el motor . Esto incluye el aumento de potencia requerido debido al aumento de velocidad de las ruedas donde la velocidad tangencial de las ruedas motrices se vuelve mayor que la velocidad del vehículo debido al deslizamiento. Dado que la potencia es igual a la fuerza multiplicada por la velocidad y la velocidad de la rueda ha aumentado, la potencia requerida ha aumentado en consecuencia.
La pura "resistencia a la rodadura" de un tren es la que se produce debido a la deformación y un posible deslizamiento menor en el contacto rueda-carretera. [10] Para un neumático de caucho, se produce una pérdida de energía análoga en todo el neumático, pero todavía se denomina "resistencia a la rodadura". En un sentido amplio, la "resistencia a la rodadura" incluye la resistencia al rodamiento de las ruedas, la pérdida de energía al sacudir tanto el lecho de la carretera (y la tierra debajo) como el propio vehículo, y al deslizar la rueda, el contacto entre la carretera y el carril. Los libros de texto sobre ferrocarriles parecen cubrir todas estas fuerzas de resistencia, pero no llaman a su suma "resistencia a la rodadura" (sentido amplio) como se hace en este artículo. Simplemente resumen todas las fuerzas de resistencia (incluida la resistencia aerodinámica) y llaman a la suma resistencia básica del tren (o similar). [11]
Dado que la resistencia a la rodadura de los ferrocarriles en sentido amplio puede ser algunas veces mayor que la resistencia pura a la rodadura [12] , los valores informados pueden estar en serio conflicto, ya que pueden basarse en diferentes definiciones de "resistencia a la rodadura". Los motores del tren deben, por supuesto, proporcionar la energía para superar esta resistencia a la rodadura de sentido amplio.
En el caso de los neumáticos, la resistencia a la rodadura se define como la energía consumida por un neumático por unidad de distancia recorrida. [13] También se denomina fricción por rodadura o arrastre por rodadura. Es una de las fuerzas que actúan para oponerse al movimiento de un conductor. La razón principal de esto es que cuando los neumáticos están en movimiento y tocan la superficie, la superficie cambia de forma y provoca la deformación del neumático. [14]
Para los vehículos de motor de carretera, obviamente se disipa algo de energía al sacudir la carretera (y la tierra debajo de ella), la sacudida del vehículo en sí y el deslizamiento de los neumáticos. Pero, aparte de la potencia adicional requerida debido al par y la fricción del cojinete de la rueda, no parece que se haya investigado la resistencia a la rodadura no pura, posiblemente porque la resistencia a la rodadura "pura" de un neumático de caucho es varias veces mayor que las resistencias desatendidas. . [15]
Coeficiente de resistencia a la rodadura
El "coeficiente de resistencia a la rodadura" se define mediante la siguiente ecuación: [6]
- dónde
- es la fuerza de resistencia a la rodadura (mostrada como en la figura 1),
- es el coeficiente adimensional de resistencia a la rodadura o el coeficiente de fricción por rodadura ( CRF ), y
- es la fuerza normal , la fuerza perpendicular a la superficie sobre la que rueda la rueda.
es la fuerza necesaria para empujar (o remolcar) un vehículo con ruedas hacia adelante (a velocidad constante en una superficie nivelada, o pendiente cero, con resistencia al aire cero) por unidad de fuerza de peso. Se supone que todas las ruedas son iguales y tienen el mismo peso. Por lo tanto:significa que solo se necesitarían 0.01 libras para remolcar un vehículo que pesa una libra. Para un vehículo de 1000 libras, se necesitaría 1000 veces más fuerza de remolque, es decir, 10 libras. Se podría decir queestá en lb (fuerza de remolque) / lb (peso del vehículo). Dado que esta lb / lb es la fuerza dividida por la fuerza,es adimensional. Multiplíquelo por 100 y obtendrá el porcentaje (%) del peso del vehículo necesario para mantener una velocidad lenta y constante.a menudo se multiplica por 1000 para obtener las partes por mil, que es lo mismo que kilogramos (kg fuerza) por tonelada métrica (tonelada = 1000 kg), [16] que es lo mismo que libras de resistencia por 1000 libras de carga o Newtons / kilo-Newton, etc. Para los ferrocarriles estadounidenses, se ha utilizado tradicionalmente lb / ton; esto es simplemente. Por lo tanto, son solo medidas de resistencia por unidad de peso del vehículo. Si bien todas son "resistencias específicas", a veces se las llama simplemente "resistencia", aunque en realidad son un coeficiente (relación) o un múltiplo del mismo. Si se utilizan libras o kilogramos como unidades de fuerza, la masa es igual al peso (en la gravedad terrestre, un kilogramo, una masa pesa un kilogramo y ejerce un kilogramo de fuerza), por lo que se podría afirmar quees también la fuerza por unidad de masa en tales unidades. El sistema SI usaría N / tonelada (N / T, N / t), que esy es la fuerza por unidad de masa, donde g es la aceleración de la gravedad en unidades SI (metros por segundo cuadrado). [17]
Lo anterior muestra una resistencia proporcional a pero no muestra explícitamente ninguna variación con la velocidad, las cargas , el par , la rugosidad de la superficie, el diámetro , el inflado / desgaste de los neumáticos, etc., porqueen sí mismo varía con esos factores. Podría parecer de la definición anterior deque la resistencia a la rodadura es directamente proporcional al peso del vehículo, pero no lo es .
Medición
Existen al menos dos modelos populares para calcular la resistencia a la rodadura.
- "Coeficiente de resistencia a la rodadura (RRC). El valor de la fuerza de resistencia a la rodadura dividido por la carga de la rueda. La Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) ha desarrollado prácticas de prueba para medir la RRC de los neumáticos. Estas pruebas ( SAE J1269 y SAE J2452 ) son usualmente realizado [ cita requerida ] en llantas nuevas. Cuando se miden usando estas prácticas de prueba estándar, la mayoría de las llantas de pasajeros nuevas han reportado RRCs que van desde 0.007 a 0.014 ". [6] En el caso de los neumáticos de bicicleta, se alcanzan valores de 0,0025 a 0,005. [18] Estos coeficientes se miden en rodillos, con medidores de potencia en la superficie de las carreteras o con pruebas de inercia . En los dos últimos casos, se debe restar el efecto de la resistencia del aire o realizar las pruebas a velocidades muy bajas.
- El coeficiente de resistencia a la rodadura b , que tiene la dimensión de la longitud , es aproximadamente (debido a la aproximación de ángulo pequeño de) igual al valor de la fuerza de resistencia a la rodadura multiplicado por el radio de la rueda dividido por la carga de la rueda. [3]
- ISO 18164: 2005 se utiliza para probar la resistencia a la rodadura en Europa.
Los resultados de estas pruebas pueden ser difíciles de obtener para el público en general, ya que los fabricantes prefieren dar a conocer la "comodidad" y el "rendimiento".
Fórmulas físicas
El coeficiente de resistencia a la rodadura para una rueda rígida lenta sobre una superficie perfectamente elástica, no ajustada para la velocidad, se puede calcular mediante [ cita requerida ]
- dónde
- es la profundidad de hundimiento
- es el diámetro de la rueda rígida
La fórmula empírica para para ruedas de coche de mina de hierro fundido sobre rieles de acero es: [19]
- dónde
- es el diámetro de la rueda en pulgadas
- es la carga sobre la rueda en libras-fuerza
Como alternativa al uso C r r {\ Displaystyle \ C_ {rr}} uno puede usar , que es un coeficiente de resistencia a la rodadura diferente o un coeficiente de fricción de rodadura con la dimensión de la longitud. Se define mediante la siguiente fórmula: [3]
- dónde
- es la fuerza de resistencia a la rodadura (que se muestra en la figura 1),
- es el radio de la rueda,
- es el coeficiente de resistencia a la rodadura o el coeficiente de fricción de rodadura con la dimensión de la longitud, y
- es la fuerza normal (igual a W , no R , como se muestra en la figura 1).
La ecuación anterior, donde la resistencia es inversamente proporcional al radio r. parece estar basado en la desacreditada "ley de Coulomb" (ni la ley del cuadrado inverso de Coulomb ni la ley de fricción de Coulomb) [ cita requerida ] . Ver dependencia del diámetro . Al equiparar esta ecuación con la fuerza según el coeficiente de resistencia a la rodadura y despejar b, se obtiene b = C rr · r. Por lo tanto, si una fuente da el coeficiente de resistencia a la rodadura (C rr ) como un coeficiente adimensional, se puede convertir a b, que tiene unidades de longitud, multiplicando C rr por el radio de la rueda r.
Ejemplos de coeficientes de resistencia a la rodadura
Tabla de ejemplos de coeficientes de resistencia a la rodadura: [3]
C rr | B | Descripción |
0,0003 a 0,0004 [20] | "Pura resistencia a la rodadura" Rueda de acero de ferrocarril sobre raíl de acero | |
0,0010 a 0,0015 [21] | 0,1 mm [3] | Rodamientos de bolas de acero templado sobre acero |
0,0010 a 0,0024 [22] [23] | 0,5 mm [3] | Rueda de acero de ferrocarril sobre riel de acero. Vagón de pasajeros alrededor de 0,0020 [24] |
0,0019 a 0,0065 [25] | Ruedas de hierro fundido de coche de mina sobre riel de acero | |
0,0022 a 0,0050 [26] | Neumáticos de bicicleta de producción a 120 psi (8,3 bar) y 50 km / h (31 mph), medidos en rodillos | |
0,0025 [27] | Neumáticos Michelin especiales para coche solar / eco-marathon | |
0,0050 | Rieles de tranvía sucios (estándar) con rectas y curvas [ cita requerida ] | |
0,0045 a 0,0080 [28] | Neumáticos (semi) para camiones grandes | |
0,0055 [27] | Neumáticos de bicicleta BMX típicos utilizados para coches solares | |
0,0062 a 0,0150 [29] | Medidas de neumáticos de automóviles | |
0,0100 a 0.0150 [30] | Neumáticos de coche ordinarios sobre hormigón | |
0.0385 a 0.0730 [31] | Entrenador de etapa (siglo XIX) en camino de tierra. Nieve blanda en la carretera en el peor de los casos. | |
0.3000 [30] | Neumáticos de coche ordinarios sobre arena. |
Por ejemplo, en la gravedad terrestre, un automóvil de 1000 kg sobre asfalto necesitará una fuerza de alrededor de 100 newtons para rodar (1000 kg × 9,81 m / s 2 × 0,01 = 98,1 N).
Dependencia del diámetro
Diligencias y ferrocarriles
Según Dupuit (1837), la resistencia a la rodadura (de los carros de ruedas con ruedas de madera con neumáticos de hierro) es aproximadamente inversamente proporcional a la raíz cuadrada del diámetro de la rueda. [32] Esta regla ha sido verificada experimentalmente para ruedas de hierro fundido (8 "- 24" de diámetro) sobre rieles de acero [33] y para ruedas de carro del siglo XIX. [31] Pero hay otras pruebas sobre ruedas de carro que no concuerdan. [31] La teoría de un cilindro que rueda sobre una calzada elástica también da esta misma regla [34] Estas contradice las pruebas anteriores (1785) de Coulomb de cilindros rodantes de madera donde Coulomb informó que la resistencia a la rodadura era inversamente proporcional al diámetro de la rueda (conocido como "ley de Coulomb"). [35] Esto disputado (o aplicado incorrectamente) - "la ley de Coulomb" todavía se encuentra en los manuales, sin embargo.
Llantas neumaticas
Para los neumáticos sobre pavimento duro, se informa que el efecto del diámetro sobre la resistencia a la rodadura es insignificante (dentro de un rango práctico de diámetros). [36] [37]
Dependencia del par aplicado
El par motor para superar la resistencia a la rodadura y mantener una velocidad constante en terreno llano (sin resistencia del aire) se puede calcular mediante:
- dónde
- es la velocidad lineal del cuerpo (en el eje), y
- su velocidad de rotación.
Es de destacar que generalmente no es igual al radio del cuerpo rodante como resultado del deslizamiento de la rueda. [38] [39] [40] El deslizamiento entre la rueda y el suelo ocurre inevitablemente cuando se aplica un par de conducción o frenado a la rueda. [41] [42] En consecuencia, la velocidad lineal del vehículo difiere de la velocidad circunferencial de la rueda. Es de destacar que no se produce deslizamiento en las ruedas motrices, que no están sujetas a par motor, en diferentes condiciones excepto en el frenado. Por lo tanto, la resistencia a la rodadura, es decir la pérdida por histéresis, es la principal fuente de disipación de energía en las ruedas o ejes motrices, mientras que en las ruedas motrices y los ejes la resistencia al deslizamiento, es decir, la pérdida debida al deslizamiento de las ruedas, juega un papel tan importante como la resistencia a la rodadura. [43] La importancia de la resistencia a la rodadura o al deslizamiento depende en gran medida de la fuerza de tracción , el coeficiente de fricción, la carga normal, etc. [44]
Todas las ruedas
El "par aplicado" puede ser un par de accionamiento aplicado por un motor (a menudo a través de una transmisión ) o un par de frenado aplicado por los frenos (incluido el frenado regenerativo ). Tales pares dan como resultado una disipación de energía (por encima de la debida a la resistencia básica a la rodadura de un rodamiento libre, es decir, excepto la resistencia al deslizamiento). Esta pérdida adicional se debe en parte al hecho de que hay cierto deslizamiento de la rueda y, para los neumáticos, hay más flexión de las paredes laterales debido al par. El deslizamiento se define de tal manera que un deslizamiento del 2% significa que la velocidad circunferencial de la rueda motriz excede la velocidad del vehículo en un 2%.
Un pequeño porcentaje de deslizamiento puede resultar en una resistencia al deslizamiento que es mucho mayor que la resistencia básica a la rodadura. Por ejemplo, para los neumáticos, un deslizamiento del 5% puede traducirse en un aumento del 200% en la resistencia a la rodadura. [45] Esto se debe en parte a que la fuerza de tracción aplicada durante este deslizamiento es muchas veces mayor que la fuerza de resistencia a la rodadura y, por lo tanto, se está aplicando mucha más potencia por unidad de velocidad (recuerde potencia = fuerza x velocidad, de modo que la potencia por unidad de velocidad es justo fuerza). Por lo tanto, solo un pequeño aumento porcentual en la velocidad circunferencial debido al deslizamiento puede traducirse en una pérdida de potencia de tracción que incluso puede exceder la pérdida de potencia debido a la resistencia básica (ordinaria) a la rodadura. Para los ferrocarriles, este efecto puede ser aún más pronunciado debido a la baja resistencia a la rodadura de las ruedas de acero.
Se muestra que para un automóvil de pasajeros, cuando la fuerza de tracción es aproximadamente el 40% de la tracción máxima, la resistencia al deslizamiento es casi igual a la resistencia básica a la rodadura (pérdida por histéresis). Pero en el caso de una fuerza de tracción igual al 70% de la tracción máxima, la resistencia al deslizamiento se vuelve 10 veces mayor que la resistencia básica a la rodadura. [46]
Ruedas de acero de ferrocarril
Para aplicar cualquier tracción a las ruedas, se requiere cierto deslizamiento de la rueda. [47] Para los trenes rusos que suben una pendiente, este deslizamiento es normalmente del 1,5% al 2,5%.
El deslizamiento (también conocido como fluencia ) es normalmente directamente proporcional al esfuerzo de tracción . Una excepción es si el esfuerzo de tracción es tan alto que la rueda está cerca de un deslizamiento sustancial (más de un pequeño porcentaje como se discutió anteriormente), entonces el deslizamiento aumenta rápidamente con el esfuerzo de tracción y ya no es lineal. Con un esfuerzo de tracción aplicado un poco más alto, la rueda gira fuera de control y la adherencia cae, lo que hace que la rueda gire aún más rápido. Este es el tipo de deslizamiento que se puede observar a simple vista; el deslizamiento de digamos 2% para la tracción solo se observa mediante instrumentos. Un deslizamiento tan rápido puede resultar en un desgaste o daño excesivo.
Llantas neumaticas
La resistencia a la rodadura aumenta enormemente con el par aplicado. Con pares elevados, que aplican una fuerza tangencial a la carretera de aproximadamente la mitad del peso del vehículo, la resistencia a la rodadura puede triplicarse (un aumento del 200%). [45] Esto se debe en parte a un deslizamiento de alrededor del 5%. El aumento de la resistencia a la rodadura con el par aplicado no es lineal, sino que aumenta a un ritmo más rápido a medida que aumenta el par.
Dependencia de la carga de la rueda
Ruedas de acero de ferrocarril
El coeficiente de resistencia a la rodadura, Crr, disminuye significativamente a medida que aumenta el peso del vagón por rueda. [48] Por ejemplo, un vagón de carga ruso vacío tenía aproximadamente el doble de Crr que un vagón cargado (Crr = 0,002 frente a Crr = 0,001). Esta misma "economía de escala" se muestra en las pruebas de los vagones de la mina. [49] El Crr teórico para una rueda rígida que rueda sobre una plataforma elástica muestra Crr inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la carga. [34]
Si Crr depende en sí mismo de la carga de la rueda según una regla de raíz cuadrada inversa, entonces, para un aumento de la carga del 2%, solo se produce un aumento del 1% en la resistencia a la rodadura. [50]
Llantas neumaticas
Para los neumáticos, la dirección del cambio en Crr (coeficiente de resistencia a la rodadura) depende de si el inflado del neumático aumenta o no al aumentar la carga. [51] Se informa que, si la presión de inflado aumenta con la carga de acuerdo con un "programa" (no definido), entonces un aumento del 20% en la carga disminuye Crr en un 3%. Pero, si no se cambia la presión de inflado, entonces un aumento del 20% en la carga da como resultado un aumento del 4% en Crr. Por supuesto, esto aumentará la resistencia a la rodadura en un 20% debido al aumento de la carga más un 1,2 x 4% debido al aumento de Crr, lo que dará como resultado un aumento de la resistencia a la rodadura del 24,8%.
Dependencia de la curvatura de la calzada
General
Cuando un vehículo (vehículo de motor o tren ) da la vuelta a una curva, la resistencia a la rodadura suele aumentar. Si la curva no está inclinada para contrarrestar exactamente la fuerza centrífuga con una fuerza centrípeta igual y opuesta debida a la inclinación, entonces habrá una fuerza lateral desequilibrada neta sobre el vehículo. Esto resultará en una mayor resistencia a la rodadura. La banca también se conoce como "peralte" o "peralte" (que no debe confundirse con el peralte de un riel ). Para los ferrocarriles, esto se llama resistencia a las curvas, pero para las carreteras (al menos una vez) se le ha llamado resistencia a la rodadura debido a las curvas .
Sonar
La fricción de rodadura genera energía sonora (vibratoria), ya que la energía mecánica se convierte en esta forma de energía debido a la fricción. Uno de los ejemplos más comunes de fricción por rodadura es el movimiento de los neumáticos de los vehículos de motor en una carretera , un proceso que genera sonido como subproducto. [52] El sonido generado por los neumáticos de automóviles y camiones al rodar (especialmente notable a velocidades de autopista) se debe principalmente a la percusión de las huellas de los neumáticos y la compresión (y posterior descompresión) del aire capturado temporalmente dentro de las huellas. [53]
Factores que contribuyen en los neumáticos
Varios factores afectan la magnitud de la resistencia a la rodadura que genera un neumático:
- Como se mencionó en la introducción: radio de rueda, velocidad de avance, adherencia a la superficie y microdeslizamiento relativo.
- Material: diferentes rellenos y polímeros en la composición del neumático pueden mejorar la tracción y reducir la histéresis. La sustitución de un poco de negro de humo por sílice-silano de precio más elevado es una forma habitual de reducir la resistencia a la rodadura. [6] Se ha demostrado que el uso de materiales exóticos, incluida la nanoarcilla, reduce la resistencia a la rodadura en neumáticos de caucho de alto rendimiento. [54] Los disolventes también se pueden utilizar para hinchar neumáticos sólidos, disminuyendo la resistencia a la rodadura. [55]
- Dimensiones: la resistencia a la rodadura de los neumáticos está relacionada con la flexión de las paredes laterales y el área de contacto de la llanta [56]. Por ejemplo, a la misma presión, las llantas de bicicleta más anchas se flexionan menos en las paredes laterales a medida que ruedan y, por lo tanto, tienen una menor resistencia a la rodadura (aunque mayor resistencia al aire). [56]
- Grado de inflado: una presión más baja en los neumáticos da como resultado una mayor flexión de las paredes laterales y una mayor resistencia a la rodadura. [56] Esta conversión de energía en las paredes laterales aumenta la resistencia y también puede provocar sobrecalentamiento y puede haber jugado un papel en los infames accidentes de vuelco del Ford Explorer .
- Es posible que inflar demasiado los neumáticos (como los neumáticos de una bicicleta) no reduzca la resistencia general a la rodadura, ya que el neumático puede saltar y saltar sobre la superficie de la carretera. Se sacrifica la tracción y es posible que la fricción general de rodadura no se reduzca a medida que cambia la velocidad de rotación de la rueda y aumenta el deslizamiento. [ cita requerida ]
- La deflexión de la pared lateral no es una medida directa de la fricción de rodadura. Un neumático de alta calidad con una carcasa de alta calidad (y flexible) permitirá una mayor flexibilidad por pérdida de energía que un neumático barato con un flanco rígido. [ cita requerida ] Nuevamente, en una bicicleta, una llanta de calidad con una carcasa flexible aún rodará más fácilmente que una llanta barata con una carcasa rígida. De manera similar, como lo señalan los neumáticos para camiones Goodyear, un neumático con una carcasa que "ahorra combustible" beneficiará al ahorro de combustible a lo largo de la vida útil de la banda de rodamiento (es decir, el recauchutado), mientras que un neumático con un diseño de banda de rodamiento que "ahorra combustible" solo se beneficiará hasta que se desgaste. abajo.
- En los neumáticos, el grosor y la forma de la banda de rodadura tienen mucho que ver con la resistencia a la rodadura. Cuanto más gruesa y contorneada sea la banda de rodadura, mayor será la resistencia a la rodadura [56]. Por lo tanto, los neumáticos de bicicleta "más rápidos" tienen muy poca banda de rodadura y los camiones de servicio pesado obtienen la mejor economía de combustible a medida que la banda de rodadura se desgasta.
- Los efectos del diámetro parecen ser insignificantes, siempre que el pavimento sea duro y el rango de diámetros sea limitado. Ver dependencia del diámetro .
- Prácticamente todos los registros mundiales de velocidad se han establecido en las ruedas relativamente estrechos, [ cita requerida ] , probablemente debido a su ventaja aerodinámica a alta velocidad, que es mucho menos importante a velocidades normales.
- Temperatura: tanto con neumáticos sólidos como con neumáticos, 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 este efecto) [57] [58] Para un aumento de temperatura de 30 ° C a 70 ° C, la resistencia a la rodadura disminuyó en un 20-25%. [59] Los corredores calientan sus neumáticos antes de competir, pero esto se usa principalmente para aumentar la fricción de los neumáticos en lugar de disminuir la resistencia a la rodadura.
Ferrocarriles: componentes de la resistencia a la rodadura
En un sentido amplio, la resistencia a la rodadura se puede definir como la suma de los componentes [60] ):
- Pérdidas de par de rodamientos de rueda.
- Pura resistencia a la rodadura.
- Deslizamiento de la rueda sobre el carril.
- Pérdida de energía a la calzada (y tierra).
- Pérdida de energía por oscilación del material rodante ferroviario.
Las pérdidas de par de los cojinetes de las ruedas se pueden medir como una resistencia a la rodadura en la llanta, Crr . Los ferrocarriles normalmente utilizan rodamientos de rodillos que son cilíndricos (Rusia) [61] o cónicos (Estados Unidos). [62] La resistencia específica a la rodadura de los rodamientos rusos varía con la carga y la velocidad de la rueda. [63] La resistencia a la rodadura de los cojinetes de las ruedas es más baja con cargas por eje elevadas y velocidades intermedias de 60 a 80 km / h con un Crr de 0,00013 (carga por eje de 21 toneladas). Para vagones de mercancías vacíos con cargas por eje de 5,5 toneladas, Crr sube a 0,00020 a 60 km / h pero a baja velocidad de 20 km / h aumenta a 0,00024 y a alta velocidad (para trenes de mercancías) de 120 km / h es 0,00028. El Crr obtenido anteriormente se suma al Crr de los otros componentes para obtener el Crr total de las ruedas.
Comparación de la resistencia a la rodadura de vehículos de carretera y trenes
La resistencia a la rodadura de las ruedas de acero sobre los rieles de acero de un tren es mucho menor que la de las ruedas de caucho de un automóvil o camión. El peso de los trenes varía mucho; en algunos casos pueden ser mucho más pesados por pasajero o por tonelada neta de carga que un automóvil o camión, pero en otros casos pueden ser mucho más livianos.
Como ejemplo de un tren de pasajeros muy pesado, en 1975, los trenes de pasajeros de Amtrak pesaban un poco más de 7 toneladas por pasajero, [64] que es mucho más pesado que un promedio de un poco más de una tonelada por pasajero para un automóvil. Esto significa que para un tren de pasajeros de Amtrak en 1975, gran parte del ahorro de energía de la menor resistencia a la rodadura se perdió debido a su mayor peso.
Un ejemplo de tren de pasajeros de alta velocidad muy ligero es el Shinkansen de la serie N700 , que pesa 715 toneladas y transporta 1323 pasajeros, lo que da como resultado un peso por pasajero de aproximadamente media tonelada. Este menor peso por pasajero, combinado con la menor resistencia a la rodadura de las ruedas de acero sobre rieles de acero, significa que un N700 Shinkansen es mucho más eficiente energéticamente que un automóvil típico.
En el caso de la carga, CSX realizó una campaña publicitaria en 2013 en la que afirmaba que sus trenes de carga mueven "una tonelada de carga 436 millas con un galón de combustible", mientras que algunas fuentes afirman que los camiones mueven una tonelada de carga aproximadamente 130 millas por galón de combustible. , lo que indica que los trenes son más eficientes en general.
Ver también
- Coeficiente de fricción
- Neumáticos de baja resistencia a la rodadura
- Maglev ( levitación magnética , la eliminación de la rodadura y, por tanto, la resistencia a la rodadura)
- Rodamiento de elemento rodante
Referencias
- ^ "SAE MOBILUS" . saemobilus.sae.org . doi : 10.4271 / 06-11-02-0014 . Consultado el 19 de abril de 2021 .
- ^ Peck, William Guy (1859). Elementos de la mecánica: para uso de universidades, academias y escuelas secundarias . AS Barnes & Burr: Nueva York. pag. 135 . Consultado el 9 de octubre de 2007 .
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- ^ Según esta suposición, dónde es la fuerza de resistencia a la rodadura y es la fuerza de carga normal sobre la rueda debido al peso del vehículo, y es una constante. Puede demostrarse fácilmente mediante la diferenciación de con respecto a usando esta regla que
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enlaces externos
- Resistencia a la rodadura y ahorro de combustible
- temperatura vs resistencia a la rodadura
- Prueba de roll-down simple para medir Crr en automóviles y bicicletas
- Umbrales de resistencia a la rodadura