Resistencia a la rodadura

Fuerza que resiste el movimiento cuando un cuerpo rueda sobre una superficie.

Figura 1 Rueda dura que rueda y deforma una superficie blanda, lo que da como resultado que la fuerza de reacción R de la superficie tenga un componente que se opone al movimiento. ( W es una carga vertical sobre el eje, F es una fuerza de remolque aplicada al eje, r es el radio de la rueda, y se supone que tanto la fricción con el suelo como la fricción en el eje son insignificantes y, por lo tanto, no se muestran. La rueda está rodando hacia la izquierda a velocidad constante.) Tenga en cuenta que R es la fuerza resultante de la presión no uniforme en la superficie de contacto rueda-carretera. Esta presión es mayor hacia la parte delantera de la rueda debido a la histéresis.

La resistencia a la rodadura , a veces llamada fricción de rodadura o resistencia a la rodadura , es la fuerza que resiste el movimiento cuando un cuerpo (como una bola , un neumático o una rueda ) rueda sobre una superficie. Es causada principalmente por efectos no elásticos ; es decir, no toda la energía necesaria para la deformación (o movimiento) de la rueda, superficie de la carretera, etc., se recupera 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 deslizamiento entre 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, lo que se denomina pérdida por deslizamiento. o resistencia al deslizamiento. ^[1] Además, sólo la llamada resistencia al deslizamiento implica fricción , por lo que el nombre "fricción por rodadura" es en cierta medida inapropiado.

De manera análoga a la fricción por deslizamiento , la resistencia a la rodadura a menudo se expresa 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 en marcha desacelerará gradualmente debido a la resistencia a la rodadura, incluida la de los cojinetes, pero un vagón de tren con ruedas de acero que circulan sobre rieles de acero rodará más lejos que un autobús de la misma masa con neumáticos de goma que circulen sobre asfalto/asfalto . 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 carretera y el movimiento debajo de la superficie. Los factores que contribuyen adicionales incluyen el diámetro de la rueda, ^[3] carga sobre la rueda, adherencia de 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 una mayor resistencia a la rodadura en una carretera pavimentada que una rueda de acero sobre un carril de acero. Además, la arena en el suelo dará más resistencia a la rodadura que el hormigón . El único factor de resistencia a la rodadura no depende de la velocidad.

Causa primaria

Distribución asimétrica de la presión entre los cilindros rodantes debido al comportamiento del material viscoelástico (rodamiento hacia la derecha). ^[4]

La causa principal de la resistencia a la rodadura de los neumáticos es la histéresis : ^[5]

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 por 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, entonces 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 su deformación vertical va aumentando, lo que es resistido 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 nuevamente se ve contrarrestado por el efecto de histéresis. En este caso, esto disminuye la presión necesaria para mantener los dos cuerpos separados.

La distribución de presión resultante es asimétrica y está desplazada hacia la derecha. La línea de acción de la fuerza vertical (agregada) ya no pasa por los centros de los cilindros. Esto significa que se produce un momento que tiende a retardar el movimiento de rodadura.

Los materiales que tienen un gran efecto de histéresis, como el caucho, que rebotan lentamente, exhiben más resistencia a la rodadura que los materiales con un pequeño efecto de histéresis que rebotan más rápidamente y de manera más completa, 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 su 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 de la calzada. ^[8]

Definiciones

En sentido amplio, la "resistencia a la rodadura" específica (para vehículos) es la fuerza por unidad de peso del vehículo necesaria para mover el vehículo en terreno nivelado a una velocidad lenta constante donde la resistencia aerodinámica (resistencia del aire) es insignificante y también donde no hay tracción. fuerzas (motoras) o frenos aplicados. En otras palabras, el vehículo se desplazaría por inercia si no fuera por la fuerza para mantener una velocidad constante. ^[9] Este sentido amplio incluye la resistencia de los rodamientos de las ruedas, la energía disipada por la vibración y oscilación tanto de la plataforma como del vehículo, y el deslizamiento de la rueda sobre la superficie de la plataforma (pavimento o carril).

Pero hay un sentido aún más amplio que incluiría la energía desperdiciada por el deslizamiento de las ruedas debido al par aplicado por 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 "resistencia a la rodadura" pura 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 llama "resistencia a la rodadura". En sentido amplio, la "resistencia a la rodadura" incluye la resistencia de los cojinetes de las ruedas, la pérdida de energía al sacudir tanto la plataforma de la carretera (y la tierra debajo) como el propio vehículo, y por el deslizamiento de la rueda, el contacto entre la carretera y el ferrocarril. 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 suman todas las fuerzas de resistencia (incluida la resistencia aerodinámica) y llaman a la suma resistencia básica del tren (o algo similar). ^[11]

Dado que la resistencia a la rodadura del ferrocarril en sentido amplio puede ser varias veces mayor que la resistencia a la rodadura pura ^[12], los valores informados pueden estar en serio conflicto ya que pueden basarse en diferentes definiciones de "resistencia a la rodadura". Por supuesto, las locomotoras del tren deben proporcionar la energía necesaria para superar esta resistencia a la rodadura en sentido amplio.

Para los neumáticos, la resistencia a la rodadura se define como la energía consumida por un neumático por unidad de distancia recorrida. También se le llama 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. ^[13]

En el caso de los vehículos de motor de carretera, se disipa algo de energía al sacudir la carretera (y la tierra debajo de ella), la sacudida del propio vehículo y el deslizamiento de los neumáticos. Pero, aparte de la potencia adicional requerida debido al par y la fricción de los cojinetes de las ruedas, la resistencia a la rodadura no pura no parece haber sido investigada, posiblemente porque la resistencia a la rodadura "pura" de un neumático de caucho es varias veces mayor que las resistencias despreciadas. . ^[14]

Coeficiente de resistencia a la rodadura

El "coeficiente de resistencia a la rodadura" se define mediante la siguiente ecuación: ^[6]

$${\displaystyle \ F=C_{rr}N}$$

• ${\displaystyle F}$es la fuerza de resistencia a la rodadura (que se muestra como en la figura 1), ${\displaystyle R}$
• ${\displaystyle C_{rr}}$es el coeficiente de resistencia a la rodadura adimensional o coeficiente de fricción de rodadura ( CRF ), y
• ${\displaystyle N}$es la fuerza normal , la fuerza perpendicular a la superficie sobre la que rueda la rueda.

${\displaystyle C_{rr}}$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 del aire cero) por unidad de fuerza de peso. Se supone que todas las ruedas son iguales y soportan el mismo peso. Por lo tanto: significa que sólo 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 que está en lb (fuerza de remolque)/lb (peso del vehículo). Dado que esta lb/lb es fuerza dividida por fuerza, no tiene dimensiones. 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 de fuerza) por tonelada métrica (tonelada = 1000 kg), ^[15] que es lo mismo que libras de resistencia por 1000 libras de carga o Newtons /kilo-Newton, etc. Para los ferrocarriles estadounidenses, tradicionalmente se ha utilizado lb/tonelada; esto es simplemente . Por lo tanto, todas son sólo medidas de resistencia por unidad de peso del vehículo. Si bien todas son "resistencias específicas", a veces se las llama simplemente "resistencias", 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 que también es la fuerza por unidad de masa en tales unidades. El sistema SI usaría N/tonelada (N/T, N/t), que es y es fuerza por unidad de masa, donde g es la aceleración de la gravedad en unidades SI (metros por segundo cuadrado). ^[dieciséis] ${\displaystyle \ C_{rr}=0.01}$ ${\displaystyle C_{rr}}$ ${\displaystyle C_{rr}}$ ${\displaystyle C_{rr}}$ ${\displaystyle 2000C_{rr}}$ ${\displaystyle C_{rr}}$ ${\displaystyle 1000gC_{rr}}$

Lo anterior muestra una resistencia proporcional, pero no muestra explícitamente ninguna variación con la velocidad, cargas, torque, rugosidad de la superficie, diámetro, inflado/desgaste de los neumáticos, etc., porque en sí mismo varía con esos factores. De la definición anterior podría parecer que la resistencia a la rodadura es directamente proporcional al peso del vehículo, pero no lo es. ${\displaystyle C_{rr}}$ ${\displaystyle C_{rr}}$ ${\displaystyle C_{rr}}$

Medición

Existen al menos dos modelos populares para calcular la resistencia a la rodadura.

1. "Coeficiente de resistencia a la rodadura (RRC). El valor de la fuerza de resistencia a la rodadura dividida por la carga de la rueda. La Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) ha desarrollado prácticas de prueba para medir el RRC de los neumáticos. Estas pruebas ( SAE J1269 y SAE J2452 ) son generalmente se realiza ^{[ cita necesaria ]} en neumáticos nuevos. Cuando se miden utilizando estas prácticas de prueba estándar, la mayoría de los neumáticos nuevos para pasajeros han reportado RRC que oscilan entre 0,007 y 0,014 ". ^[6] En el caso de neumáticos de bicicleta se alcanzan valores de 0,0025 a 0,005. ^[17] Estos coeficientes se miden sobre rodillos, con medidores de potencia en la superficie de la carretera o con pruebas de desaceleración. En estos dos últimos casos se debe restar el efecto de la resistencia del aire o realizar las pruebas a velocidades muy bajas.
2. El coeficiente de resistencia a la rodadura b , que tiene la dimensión de longitud , es aproximadamente (debido a la aproximación de ángulo pequeño de ) igual al valor de la fuerza de resistencia a la rodadura multiplicada por el radio de la rueda dividido por la carga de la rueda. ^[3] ${\displaystyle \cos(\theta )=1}$
3. La norma 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 publicitar "comodidad" y "rendimiento".

Fórmulas físicas

El coeficiente de resistencia a la rodadura de una rueda lenta y rígida sobre una superficie perfectamente elástica, no ajustada a la velocidad, se puede calcular mediante ^{[18] [ cita necesaria ]}

$${\displaystyle C_{rr}={\sqrt {z/d}}}$$

• ${\displaystyle z}$es la profundidad del hundimiento
• ${\displaystyle d}$es el diámetro de la rueda rígida

La fórmula empírica para ruedas de vagones mineros de hierro fundido sobre rieles de acero es: ^[19] ${\displaystyle C_{rr}}$

$${\displaystyle C_{rr}=0.0048(18/D)^{\frac {1}{2}}(100/W)^{\frac {1}{4}}={\frac {0.0643988}{\sqrt[{4}]{WD^{2}}}}}$$

• ${\displaystyle D}$es el diámetro de la rueda en pulgadas
• ${\displaystyle W}$es la carga sobre la rueda en libras-fuerza

Como alternativa al uso de C r r {\displaystyle C_{rr}}, se puede usar , que es un coeficiente de resistencia a la rodadura o coeficiente de fricción de rodadura diferente con dimensión de longitud. Se define mediante la siguiente fórmula: ^[3] ${\displaystyle b}$

$${\displaystyle F={\frac {Nb}{r}}}$$

• ${\displaystyle F}$es la fuerza de resistencia a la rodadura (que se muestra en la figura 1),
• ${\displaystyle r}$es el radio de la rueda,
• ${\displaystyle b}$es el coeficiente de resistencia a la rodadura o coeficiente de fricción de rodadura con dimensión de longitud, y
• ${\displaystyle N}$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, parece estar basada en la desacreditada "ley de Coulomb" (ni la ley del cuadrado inverso de Coulomb ni la ley de fricción de Coulomb) ^{[ cita necesaria ]} . Ver dependencia del diámetro. Al equiparar esta ecuación con la fuerza según el coeficiente de resistencia a la rodadura y resolver para , se obtiene = . Por lo tanto, si una fuente proporciona el coeficiente de resistencia a la rodadura ( ) como un coeficiente adimensional, se puede convertir a , con unidades de longitud, multiplicando por el radio de la rueda . ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle C_{rr}r}$ ${\displaystyle C_{rr}}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle C_{rr}}$ ${\displaystyle r}$

Ejemplos de coeficientes de resistencia a la rodadura

Tabla de ejemplos de coeficientes de resistencia a la rodadura: [3]

Por ejemplo, en la gravedad terrestre, un coche de 1.000 kg sobre asfalto necesitará una fuerza de unos 100  newtons para rodar (1.000 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 carros con ruedas de madera y neumáticos de hierro) es aproximadamente inversamente proporcional a la raíz cuadrada del diámetro de la rueda. ^[34] Esta regla ha sido verificada experimentalmente para ruedas de hierro fundido (8 ″ - 24 ″ de diámetro) sobre rieles de acero ^[35] y para ruedas de carruaje del siglo XIX. ^[33] Pero hay otras pruebas con ruedas de carro que no concuerdan. ^[33] La teoría de un cilindro que rueda sobre una calzada elástica también da esta misma regla ^[36] Estos contradicen pruebas anteriores (1785) de Coulomb de cilindros de madera rodantes donde Coulomb informó que la resistencia a la rodadura era inversamente proporcional al diámetro de la rueda (conocido como "ley de Coulomb"). ^[37] Sin embargo, esta "ley de Coulomb" cuestionada (o mal aplicada) todavía se encuentra en los manuales.

neumáticos

Para 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). ^{[38] [39]}

Dependencia del par aplicado

El par motor para superar la resistencia a la rodadura y mantener una velocidad constante en terreno nivelado (sin resistencia del aire) se puede calcular mediante: ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle R_{r}}$

$${\displaystyle T={\frac {V_{s}}{\Omega }}R_{r}}$$

• ${\displaystyle V_{s}}$es la velocidad lineal del cuerpo (en el eje), y
• ${\displaystyle \Omega }$su velocidad de rotación.

Es de destacar que normalmente no es igual al radio del cuerpo rodante como resultado del deslizamiento de las ruedas. ^{[40] [41] [42]} El deslizamiento entre la rueda y el suelo ocurre inevitablemente cada vez que se aplica un par de conducción o frenado a la rueda. ^{[43] [44]} En consecuencia, la velocidad lineal del vehículo difiere de la velocidad circunferencial de la rueda. Es de destacar que el deslizamiento no se produce en las ruedas motrices, que no están sometidas al 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 debido al deslizamiento de las ruedas, desempeña un papel tan importante como la resistencia a la rodadura. ^[45] 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. ^[46] ${\displaystyle V_{s}/\Omega }$

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 ). Estos pares de torsión provocan una disipación de energía (por encima de la debida a la resistencia básica a la rodadura de un vehículo que rueda libremente, 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, en el caso de los neumáticos, hay más flexión de las paredes laterales debido al par. El deslizamiento se define de 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 dar lugar a una resistencia al deslizamiento mucho mayor que la resistencia básica a la rodadura. Por ejemplo, en el caso de los neumáticos, un deslizamiento del 5% puede traducirse en un aumento del 200% en la resistencia a la rodadura. ^[47] 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 aplica mucha más potencia por unidad de velocidad (recuerde potencia = fuerza x velocidad, de modo que la potencia por unidad de velocidad es solo fuerza). Por lo tanto, sólo un pequeño aumento porcentual en la velocidad circunferencial debido al deslizamiento puede traducirse en una pérdida de potencia de tracción que puede incluso exceder la pérdida de potencia debida a la resistencia a la rodadura básica (ordinaria). En el caso de 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 con 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. ^[1]

ruedas de acero de ferrocarril

Para aplicar tracción a las ruedas, se requiere cierto deslizamiento de la rueda. ^[48] ​​Para los trenes que suben una pendiente, este deslizamiento suele ser del 1,5% al ​​2,5%.

El deslizamiento (también conocido como fluencia ) normalmente es aproximadamente directamente proporcional al esfuerzo de tracción . Una excepción es si el esfuerzo de tracción es tan alto que la rueda está cerca de patinar sustancialmente (más de un pequeño porcentaje como se analizó anteriormente), entonces el deslizamiento aumenta rápidamente con el esfuerzo de tracción y ya no es lineal. Con un esfuerzo de tracción aplicado un poco mayor, la rueda gira sin 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: un deslizamiento de, digamos, un 2% en tracción sólo se observa mediante instrumentos. Un deslizamiento tan rápido puede provocar un desgaste excesivo o daños.

neumáticos

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%). ^[47] 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 el par aumenta.

Dependencia de la carga de las ruedas

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. ^[49] Por ejemplo, un vagón de carga 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 manifiesta en las pruebas de los vagones de las minas. ^[50] El Crr teórico para una rueda rígida que rueda sobre una plataforma elástica muestra Crr inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la carga. ^[36]

Si Crr depende 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. ^[51]

neumáticos

Para neumáticos, la dirección del cambio en Crr (coeficiente de resistencia a la rodadura) depende de si el inflado de los neumáticos aumenta o no al aumentar la carga. ^[52] Se informa que, si la presión de inflado aumenta con la carga de acuerdo con un "programa" (indefinido), entonces un aumento del 20% en la carga disminuye Crr en un 3%. Pero, si no se cambia la presión de inflación, entonces un aumento del 20% en la carga resulta en 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 1,2 x 4% debido al aumento de Crr, lo que dará como resultado un aumento del 24,8% en la resistencia a la rodadura. ^[53]

Dependencia de la curvatura de la calzada.

General

Cuando un vehículo ( vehículo de motor o tren de ferrocarril ) toma 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 debido a la inclinación, entonces habrá una fuerza lateral neta desequilibrada sobre el vehículo. Esto dará como resultado una mayor resistencia a la rodadura. El peralte también se conoce como "peralte" o "peralte" (no debe confundirse con peralte ferroviario de un carril ). 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 .

Sonido

La fricción por rodadura genera energía sonora (vibracional), 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 neumáticos de vehículos de motor en una carretera , proceso que genera sonido como subproducto. ^[54] El sonido generado por los neumáticos de automóviles y camiones al rodar (especialmente notable a velocidades de carretera) se debe principalmente a la percusión de las bandas de rodadura de los neumáticos y a la compresión (y posterior descompresión) del aire capturado temporalmente dentro de las bandas de rodadura. ^[55]

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 la 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 al mismo tiempo reducir la histéresis. La sustitución de parte del negro de humo por sílice-silano, de mayor precio, es una forma común 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. ^[56] También se pueden utilizar disolventes para hinchar neumáticos sólidos, disminuyendo la resistencia a la rodadura. ^[57]
• Dimensiones: la resistencia a la rodadura de los neumáticos está relacionada con la flexión de las paredes laterales y el área de contacto del neumático ^[58] 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). ^[58]
• 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. ^[58] 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 bicicleta) no reduzca la resistencia general a la rodadura, ya que el neumático puede saltar sobre la superficie de la carretera. Se sacrifica la tracción y es posible que la fricción de rodadura general no se reduzca a medida que cambia la velocidad de rotación de la rueda y aumenta el deslizamiento. ^{[ cita necesaria ]}
• 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 flexión por pérdida de energía que un neumático barato con un flanco rígido. ^{[ cita necesaria ]} Nuevamente, en una bicicleta, un neumático de calidad con una carcasa flexible seguirá rodando más fácilmente que un neumático barato con una carcasa rígida. De manera similar, como lo señalaron los neumáticos para camiones Goodyear, un neumático con una carcasa que "ahorra combustible" beneficiará la economía de combustible durante muchas vidas de la banda de rodadura (es decir, recauchutado), mientras que un neumático con un diseño de banda de rodadura que "ahorra combustible" sólo se beneficiará hasta que la banda de rodadura 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 ^[58] Por lo tanto, los neumáticos de bicicleta "más rápidos" tienen muy poca banda de rodadura y los camiones pesados ​​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 la gama de diámetros sea limitada. Ver dependencia del diámetro.
• Prácticamente todos los récords mundiales de velocidad se han establecido con ruedas relativamente estrechas, ^{[ cita necesaria ]} probablemente debido a su ventaja aerodinámica a alta velocidad, que es mucho menos importante a velocidades normales.
• Temperatura: tanto con neumáticos macizos como neumáticos, se ha descubierto 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) ^{[59] [60]} Para un aumento de temperatura de 30° De C a 70 °C la resistencia a la rodadura disminuyó entre un 20 y un 25%. ^[61] Los corredores calientan sus neumáticos antes de competir, pero esto se utiliza 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 componentes ^[62] ):

1. Pérdidas de par en los cojinetes de las ruedas.
2. Pura resistencia a la rodadura.
3. Deslizamiento de la rueda sobre el carril.
4. Pérdida de energía hacia la calzada (y la tierra).
5. Pérdida de energía por oscilación del material rodante ferroviario.

Las pérdidas de par en los cojinetes de las ruedas se pueden medir como la resistencia a la rodadura en la llanta de la rueda, Crr. Los ferrocarriles normalmente utilizan rodamientos de rodillos cilíndricos ( Rusia) ^[63] o cónicos (Estados Unidos). ^[64] La resistencia a la rodadura específica de los rodamientos varía tanto con la carga como con la velocidad de la rueda. ^[65] La resistencia a la rodadura de los rodamientos de 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 una velocidad baja de 20 km/h aumenta a 0,00024 y a una velocidad alta (para trenes de mercancías) de 120 km/h es 0,00028. El Crr obtenido anteriormente se suma al Crr de los demás 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 un 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, ^[66] lo que es mucho más pesado que un promedio de 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 derivado 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 Serie N700 , que pesa 715 toneladas y transporta 1.323 pasajeros, lo que da como resultado un peso por pasajero de aproximadamente media tonelada. Este peso más ligero por pasajero, combinado con la menor resistencia a la rodadura de las ruedas de acero sobre raíles de acero, significa que un Shinkansen N700 es mucho más eficiente energéticamente que un automóvil típico.

En el caso del transporte de mercancías, CSX realizó una campaña publicitaria en 2013 afirmando que sus trenes de carga mueven "una tonelada de carga a 436 millas por galón de combustible", mientras que algunas fuentes afirman que los camiones mueven una tonelada de carga a unas 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, de la resistencia a la rodadura)
• Rodamiento de elementos rodantes

Referencias

1. "SAE MOBILUS". saemobilus.sae.org . doi : 10.4271/06-11-02-0014 . Consultado el 19 de abril de 2021 .
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14. Si se supusiera que los coeficientes de resistencia (Crr) para los vehículos de motor eran los mismos que para los trenes, entonces, para los trenes, las resistencias despreciadas en conjunto tienen un Crr de aproximadamente 0,0004 (ver Астахов, Fig. 4.14, p.107 a 20 km /h y suponga un Crr total = 0,0010 según la Fig. 3.8, página 50 (cojinetes lisos) y ajuste para rodamientos de rodillos según un delta Crr de 0,00035 como se lee en las Figs. 4.2 y 4.4 en las páginas 74, 76). Compare este Crr de 0,0004 con el Crr de neumáticos de vehículos de motor de al menos 10 veces mayor según los "Ejemplos de coeficientes de resistencia a la rodadura" de este artículo.
15. Астахов utiliza kgf / tonelada en todo su libro
16. Деев usa notación N/T. Véanse las págs. 78-84.
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38. Oficina Nacional de Normas de EE. UU., Fig. 1.13
39. Algunos ^{[ ¿quién? ]} Creo que las ruedas más pequeñas, en igualdad de condiciones, tienden a tener una mayor resistencia a la rodadura que las ruedas más grandes. Sin embargo, en algunas pruebas de laboratorio, como los resultados de la prueba Greenspeed (fecha de acceso = 2007-10-27), las ruedas más pequeñas parecieron tener pérdidas similares o menores que las ruedas grandes, pero estas pruebas se realizaron haciendo rodar las ruedas contra un tambor de diámetro pequeño. lo que teóricamente eliminaría la ventaja de las ruedas de gran diámetro, haciendo así que las pruebas sean irrelevantes para resolver este problema. Otro ejemplo contrario a la afirmación de que las ruedas más pequeñas tienen una mayor resistencia a la rodadura se puede encontrar en el ámbito de las carreras de derby de máxima velocidad . En esta carrera, las velocidades han aumentado ya que los diámetros de las ruedas han disminuido hasta un 50%. Esto podría sugerir que la resistencia a la rodadura puede no aumentar significativamente con un diámetro más pequeño dentro de un rango práctico, si se ha controlado alguna otra de las muchas variables involucradas. Ver página de discusión .
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50. Hersey, Tabla 6., pág. 267
51. 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? Se puede demostrar fácilmente diferenciando con respecto al uso de esta regla que ${\displaystyle F=kN^{0.5}}$ ${\displaystyle F}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle F}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle {\operatorname {d} N \over N}=2{\operatorname {d} F \over F}}$
52. Roberts, págs. 60-61.
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• Williams, JA Ingeniería de tribología'. Prensa de la Universidad de Oxford, 1994.

enlaces externos

• Resistencia a la rodadura y ahorro de combustible
• temperatura vs resistencia a la rodadura
• Prueba sencilla de descenso para medir Crr en coches y bicicletas
• Umbrales de resistencia a la rodadura