El concepto de resistencia al rodamiento
Si ruedas una llanta de automóvil, eventualmente se detendrá. Pero imagina que la llanta esté hecha de acero, esa llanta rodaría una distancia considerable. En resumen, la llanta de caucho tiene una mayor resistencia al rodamiento en comparación con la llanta de acero. Pero, ¿Qué es la resistencia al rodamiento y qué la causa? Vamos a explorar para entender la física detrás de la resistencia al rodamiento.
Propiedades del material de caucho
Para entender la resistencia al rodamiento, primero debemos conocer las propiedades del material de caucho. Consideremos esta banda de goma o este cilindro de caucho. Puedes estirarlos o comprimirlos fácilmente aplicando una fuerza gradual. Cuando sueltas tu mano, vuelven a su forma original. Sin embargo, si observas de cerca, notarás que el cilindro se comporta de manera diferente cuando está comprimido y cuando se descomprime.
Vamos a realizar nuevamente el experimento de la fuerza, variando desde 0 hasta 50 Newton y de regreso a 0 Newton. Reproduzcamos este experimento en cámara lenta y pausamos cuando la fuerza alcanza los 25 Newton. Observemos la forma del cilindro en este instante. Después, cuando la fuerza alcanza los 50 Newton y durante el proceso de retorno, cuando la fuerza es de nuevo de 25 Newton, pausamos la escena.
Podemos ver que durante el proceso de liberación, una fuerza constante de 25 Newton produce una menor longitud durante la descompresión. El caucho alcanza su longitud original más lentamente durante la descompresión. Este comportamiento se hace más claro en la gráfica que muestra la fuerza versus la longitud para los procesos de compresión y descompresión. El caucho se comporta de manera diferente durante la compresión y la descompresión, incluso si la forma final es la misma. A esta propiedad se le conoce como histeresis.
El caucho no es un material perfectamente elástico. Los largos y enredados polímeros del caucho también tienen un efecto viscoso. Este efecto viscoso conduce a la pérdida de energía. En resumen, cuando el material de caucho experimenta un ciclo de histeresis, pierde energía.
Efecto de la histeresis en el neumático
Para entender el efecto de la histeresis en el neumático, debemos tener en cuenta que cuando el caucho comprimido es liberado, recupera su longitud original lentamente. Cuando un neumático perfecto rueda, no tiene resistencia al rodamiento. Con «perfecto» me refiero a que la región de contacto entre el neumático y la carretera es una línea. Un neumático rodando tendría una velocidad de cero en esta línea de contacto. Esto es posible porque la rueda tiene dos tipos de movimiento, traslacional y rotacional. Al sumar estas dos velocidades en la línea de contacto, el resultado es cero. Una velocidad de cero significa que la línea de contacto no tiene movimiento relativo con la carretera y la fuerza de fricción también debería ser cero. Debido a esto, un neumático perfecto podría rodar para siempre.
Sin embargo, en el mundo real, los neumáticos hacen contacto con el suelo no en una línea, sino en un área. A esto lo llamamos área de contacto. Especialmente en los neumáticos de los automóviles, debido al enorme peso que soportan, la región inferior del neumático se comprime. Ten en cuenta que la compresión del neumático que se muestra aquí está exagerada.
Veamos el efecto de la histeresis en un neumático rodando. Cuando la parte inferior se comprime, podemos ver que un neumático rodando real tiene dos regiones: no deformada y deformada. A medida que el neumático rueda, la banda de caucho de la región no deformada entra en la región deformada. El radio de la región deformada es mucho menor que el radio del neumático. Esto significa que a medida que el elemento de la banda de rodamiento entra en la región deformada, debe someterse a compresión.
Desde aquí, debe pasar a una región no deformada o el elemento de la banda de rodamiento se expande. Esto significa que los elementos de la banda de rodamiento de un neumático rodando continuamente experimentan compresión y expansión. Como vimos anteriormente, cuando el material de caucho se comprime y se expande, experimenta ciclos de histeresis que resultan en pérdida de energía.
La misma pérdida de energía ocurre en un neumático rodando. Esta es la razón por la cual un neumático rodando se desacelera. La pérdida de energía por histeresis produce una nueva resistencia llamada resistencia al rodamiento.
La naturaleza de la histeresis del caucho también provoca algunos fenómenos interesantes. Sabemos que durante la fase de descompresión, el material alcanza lentamente su longitud original. Debido a esto, la región derecha del neumático no presiona contra la carretera con la misma fuerza que la región izquierda.
Como resultado, la región derecha tiene una fuerza normal mucho menor en comparación con la región izquierda. Por eso la distribución de carga de un neumático rodando es siempre no uniforme, como se muestra.
