Resistencia a la rodadura

resistencia a la rodadura, a veces llamada fricción por rodadura o arrastre por rodadura, es la fuerza que resiste el movimiento cuando un cuerpo (como una pelota, neumático o 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, que se denomina pérdida por deslizamiento o resistencia al deslizamiento. Además, sólo la llamada resistencia al deslizamiento implica fricción, de ahí el nombre "fricción por rodadura" es hasta cierto punto un nombre inapropiado.

Al igual que con 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.

Cualquier vehículo con ruedas de marcha lenta disminuirá gradualmente su velocidad 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 circule 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, la carga sobre la rueda, la adherencia de la superficie, el deslizamiento y el 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 principal

La causa principal de la resistencia a la rodadura de los neumáticos es la histéresis:

Una característica de un material deformable tal que la energía de la deformación es mayor que la energía de la recuperación. El compuesto de goma en un neumático exhibe histeresis. 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 la histeresis como calor. La histeresis es la principal causa de pérdida de energía asociada a la resistencia a la rodadura y se atribuye a las características viscoelásticas del caucho.

- Academia Nacional de Ciencias

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. Tenga en cuenta que los ferrocarriles también tienen histéresis en la estructura de la calzada.

Definiciones

En sentido amplio, la "resistencia a la rodadura" (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 se aplican fuerzas de tracción (motor) ni frenos. En otras palabras, el vehículo se desplazaría por inercia si no fuera por la fuerza para mantener una velocidad constante. 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 pura "resistencia a la rodadura" para un tren es lo que ocurre por deformación y posible deslizamiento menor en el contacto rueda-carretera. En el caso de un neumático de caucho, se produce una pérdida de energía análoga en todo el neumático, pero todavía se denomina "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 carretera/carril. Los libros de texto sobre ferrocarriles parecen cubrir todas estas fuerzas de resistencia, pero no llaman a su suma “resistencia rodante” (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).

Dado que la resistencia a la rodadura del ferrocarril en el sentido amplio puede ser varias veces mayor que solo la resistencia a la rodadura pura, 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.

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

Coeficiente de resistencia a la rodadura

El "coeficiente de resistencia a la rodadura" se define por la siguiente ecuación:

F=CrrN{displaystyle # F=C_{rrr}N}

• F{displaystyle F} es la fuerza de resistencia rodante (muestra como R{displaystyle R. en la figura 1),
• Crr{displaystyle C_{rrr} es el sin dimensión coeficiente de resistencia a la rodadura o coeficiente de fricción rodante ()CRF), y
• N{displaystyle N} es la fuerza normal, la fuerza perpendicular a la superficie en la que la rueda está rodando.

Crr{displaystyle C_{rrr} es la fuerza necesaria para empujar (o remolcar) un vehículo de ruedas hacia adelante (a velocidad constante en una superficie de nivel, o grado cero, con resistencia al aire cero) por fuerza unitaria de peso. Se supone que todas las ruedas son iguales y soportan un peso idéntico. Así: Crr=0,01{displaystyle C_{rrr}=0.01} significa que sólo tomaría 0.01 libras para remolque un vehículo que pesa una libra. Para un vehículo de 1000 libras, tomaría 1000 veces más fuerza de remolque, es decir, 10 libras. Uno podría decir que Crr{displaystyle C_{rrr} está en lb(función nula)/lb(peso gótico). Puesto que este lb/lb es la fuerza dividida por la fuerza, Crr{displaystyle C_{rrr} no tiene dimensión. Multiply it by 100 and you get the percent (%) of the weight of the vehicle required to maintain slow steady speed. Crr{displaystyle C_{rrr} a menudo se multiplica por 1000 para obtener las partes por mil, que es el mismo que kilogramos (kg fuerza) por tonelada métrica (tonne = 1000 kg), que es el mismo que libras de resistencia por cada 1000 libras de carga o Newtons/kilo-Newton, etc. Para los ferrocarriles estadounidenses, lb/ton se ha utilizado tradicionalmente; esto es sólo 2000Crr{displaystyle 2000C_{rrr}. Por lo tanto, todas son medidas justas de resistencia por peso del vehículo unitario. Mientras que son todas "resistencias específicas", a veces se llaman "resistencia" aunque son realmente un coeficiente (ratio) o un múltiples de ellos. Si usa libras o kilogramos como unidades de fuerza, la masa es igual a peso (en la gravedad de la tierra un kilogramo de masa pesa un kilogramo y ejerce un kilogramo de fuerza) por lo que uno podría afirmar que Crr{displaystyle C_{rrr} es también la fuerza por unidad de masa en tales unidades. The SI system would use N/tonne (N/T, N/t), which is 1000gCrr{displaystyle 1000gC_{rrr} y es fuerza por unidad de masa, donde g es la aceleración de la gravedad en unidades SI (metros por segundo cuadrado).

Lo anterior muestra resistencia proporcional a Crr{displaystyle C_{rrr} pero no muestra explícitamente ninguna variación con velocidad, cargas, par, rugosidad de superficie, diámetro, inflación de neumáticos, etc., porque Crr{displaystyle C_{rrr} en sí mismo varía con esos factores. Puede parecer de la definición anterior Crr{displaystyle C_{rrr} que 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.

1. "Coeficiente de resistencia de remolcado (RRC). El valor de la fuerza de resistencia rodante dividida por la carga de la rueda. La Sociedad de Ingenieros Automotores (SAE) ha desarrollado prácticas de prueba para medir el RRC de neumáticos. Estas pruebas (SAE J1269 y SAE J2452) se realizan generalmente en nuevos neumáticos. Cuando se mide utilizando estas prácticas de prueba estándar, la mayoría de los neumáticos de pasajeros nuevos han reportado RRCs que van desde 0.007 a 0.014." En el caso de los neumáticos de bicicleta, se alcanzan valores de 0.0025 a 0.005. Estos coeficientes se miden en rodillos, con medidores de potencia en superficies de carretera, o con pruebas de costa hacia abajo. En estos dos últimos casos, el efecto de la resistencia al aire debe ser restringido o las pruebas realizadas a velocidades muy bajas.
2. El coeficiente de resistencia a la rodadura b, que tiene la dimensión de la longitud, es aproximadamente (debido a la aproximación del pequeño ángulo de #⁡ ⁡ ()Silencio Silencio )=1{displaystyle cos(theta)=1}) igual al valor de la fuerza de resistencia rodante tiempos el radio de la rueda dividida 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 publicitar la "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

Crr=z/d{displaystyle C_{rr}={sqrt {z/d}}

• z{displaystyle z} es la profundidad del fregadero
• d{displaystyle d} es el diámetro de la rueda rígida

La fórmula empírica para Crr{displaystyle C_{rrr} para ruedas de mina de hierro fundido en carriles de acero es:

Crr=0,0048()18/D)12()100/W)14=0,0643988WD24{displaystyle C_{rr}=0.0048(18/D)^{frac {1}{2}(100/W)^{frac {1}{4}={frac {0643988}{sqrt[{4}}}}}}} {f}}}} {f}}}}} {f}}}} {f}}}}}} {f}}}}}}} {f} {f}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {

• D{displaystyle D} es el diámetro de la rueda en pulgadas
• W{displaystyle W. es la carga en la rueda en la fuerza de libras

Como alternativa al uso Crr{displaystyle C_{rrr} uno puede usar b{displaystyle b}, que es diferente coeficiente de resistencia a la rodadura o coeficiente de fricción rodante con dimensión de longitud. Se define por la siguiente fórmula:

F=Nbr{displaystyle F={frac} {f}} {fn}}}

• F{displaystyle F} es la fuerza de resistencia rodante (que aparece en la figura 1),
• r{displaystyle r} es el radio de rueda,
• b{displaystyle b} es coeficiente de resistencia a la rodadura o coeficiente de fricción rodante con dimensión de longitud, y
• N{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 r{displaystyle r} Parece estar basado en la desacreditada "Ley del Coulomb" (Ni la inversa ley cuadrada de Coulomb ni la ley de fricción de Coulomb). Ver dependencia del diámetro. equiparando esta ecuación con la fuerza por el coeficiente de resistencia a la rodadura y resolviendo para b{displaystyle b}, da b{displaystyle b} = Crrr{displaystyle C_{rrr}r}. Por lo tanto, si una fuente da coeficiente de resistencia ondulante (Crr{displaystyle C_{rrr}) como un coeficiente sin dimensiones, se puede convertir a b{displaystyle b}, tener unidades de longitud, multiplicando Crr{displaystyle C_{rrr} por radio de rueda r{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 1000 kg sobre asfalto necesitará una fuerza de alrededor de 100 newtons para rodar (1000 kg × 9,81 m/s² × 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. Esta regla ha sido verificada experimentalmente para ruedas de hierro fundido (8″ - 24″ de diámetro) sobre rieles de acero y para ruedas de carro del siglo XIX. Pero hay otras pruebas con ruedas de carruajes que no concuerdan. La teoría de un cilindro que rueda sobre una calzada elástica también da esta misma regla. Estos contradicen pruebas anteriores (1785) realizadas por Coulomb sobre cilindros de madera rodantes, donde Coulomb informó que la resistencia a la rodadura era inversamente proporcional al diámetro de la rueda (conocida como "Coulomb" #39;ley"). Esta disputada (o aplicada erróneamente) -"ley de Coulomb" Sin embargo, 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).

Dependencia del par aplicado

El par motor T{displaystyle T} para superar la resistencia rodante Rr{displaystyle R_{r} y mantener la velocidad constante en el suelo de nivel (sin resistencia al aire) se puede calcular por:

T=VsΩ Ω Rr{displaystyle T={frac {fnMicrosoft Sans} {fnMicrosoft Sans} {fnMicrosoft Sans} {fnMicrosoft Sans}} {fnMicrosoft Sans}} {fnMicrosoft Sans}}} {f}} {f}}} {f}} {fnMicrosoft}}} {f}}}}}}} {\f}}}}}}}}}}} {\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\f}}}}\\\f}}}\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\fnfnMicrob}}}\\\\\\\\fn\\\fn Omega }R_{r}

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

Cabe señalar que Vs/Ω Ω {displaystyle V_{s}/ Omega generalmente no es igual al radio del cuerpo rodante como resultado del deslizamiento de la rueda. El deslizamiento entre rueda y tierra ocurre inevitablemente cuando se aplica a la rueda un par de conducción o frenado. En consecuencia, la velocidad lineal del vehículo difiere de la velocidad circunferencial de la rueda. Es notable que el deslizamiento no se produce en las ruedas motrices, que no están sujetas al par de conducción, en diferentes condiciones excepto el frenado. Por lo tanto, la resistencia a la rodadura, a saber, la pérdida de histeresis, es la principal fuente de disipación energética en ruedas o ejes impulsados, mientras que en las ruedas de conducción y ejes deslizan resistencia, a saber, la pérdida debido al deslizamiento de rueda, juega el papel así como la resistencia a la rodadura. La importancia de la resistencia al rodaje o al deslizamiento depende en gran medida de la fuerza del tracto, el coeficiente de fricción, la carga normal, etc.

Todas las ruedas

"Torque aplicado" puede ser el par de conducción aplicado por un motor (a menudo a través de una transmisión) o un par de frenado aplicado por los frenos (incluyendo el frenado regenerativo). Tales torques resultan en la disipación energética (ambos que debido a la resistencia básica a la rodadura de un rodaje libre, es decir, excepto la resistencia al deslizamiento). Esta pérdida adicional se debe en parte al hecho de que hay algún deslizamiento de la rueda, y para neumáticos neumáticos, hay más flexión de los muros laterales debido al par. El resbalón se define de tal manera que un resbalón del 2% significa que la velocidad circunferencial de la rueda de conducción excede la velocidad del vehículo en un 2%.

Un pequeño porcentaje de deslizamiento puede resultar en 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. 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 coche de pasajeros, cuando la fuerza del tracto es alrededor del 40% de la tracción máxima, la resistencia al deslizamiento es casi igual a la resistencia básica de rodamiento (histeresis pérdida). Pero en caso de una fuerza del tracto igual al 70% de la tracción máxima, la resistencia al deslizamiento se vuelve 10 veces mayor que la resistencia básica a la rodadura.

Ruedas de acero para ferrocarril

Para aplicar tracción a las ruedas, se requiere cierto deslizamiento de la rueda. 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 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: 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%). Esto se debe en parte a una caída 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 para ferrocarril

El coeficiente de resistencia a la rodadura, Crr, disminuye significativamente a medida que aumenta el peso del vagón por rueda. 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" aparece en las pruebas de vagones de minas. El Crr teórico para una rueda rígida que rueda sobre una plataforma elástica muestra Crr inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la carga.

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.

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. Se informa que, si la presión de inflación 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.

Dependencia de la curvatura de la calzada

Generalidades

Cuando un vehículo (vehículo de motor o tren) 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. La banca también se conoce como "peralte" o "no puedo" (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.

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, un proceso que genera sonido como subproducto. El sonido generado por los neumáticos de automóviles y camiones al rodar (especialmente perceptible a velocidades de autopista) 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.

Factores que contribuyen en los neumáticos

Varios factores afectan la magnitud de la resistencia a la rodadura que genera un neumático:

• Como se menciona en la introducción: radio de rueda, velocidad de avance, adherencia superficial y micro deslizamiento relativo.
• Material - diferentes rellenos y polímeros en composición de neumáticos pueden mejorar la tracción al reducir la histeresis. El reemplazo de un poco de carbono negro con silica-silano de precio más alto es una forma común de reducir la resistencia a la rodadura. El uso de materiales exóticos incluyendo nanoclay ha demostrado reducir la resistencia a la rodadura en neumáticos de goma de alto rendimiento. Los solventes también se pueden utilizar para hinchar neumáticos sólidos, disminuyendo la resistencia a la rodadura.
• Dimensiones - resistencia a la rodadura en neumáticos se relaciona con el flex de las paredes laterales y el área de contacto del neumático Por ejemplo, a la misma presión, los neumáticos de bicicleta más anchos flex menos en los laterales que rodan y por lo tanto tienen menor resistencia a la rodadura (aunque mayor resistencia al aire).
• El exceso de inflación - La presión baja en los neumáticos resulta en más flexión de los muros laterales y mayor resistencia a la rodadura. Esta conversión energética en los muros laterales aumenta la resistencia y también puede conducir a sobrecalentamiento y puede haber jugado un papel en los infames accidentes de rodadura de Ford Explorer.
• Sobre neumáticos inflables (tales neumáticos de bicicleta) no puede bajar la resistencia total de rodamiento ya que el neumático puede saltar y saltar sobre la superficie de la carretera. La tracción es sacrificada, y la fricción general no puede reducirse a medida que la velocidad de rotación de la rueda cambia y aumenta el deslizamiento.
• La deflexión Sidewall no es una medición directa de la fricción rodante. Un neumático de alta calidad con una caja de alta calidad (y flexible) permitirá más flex por pérdida de energía que un neumático barato con una pared lateral rígida. Una vez más, en bicicleta, un neumático de calidad con una carcasa flexible seguirá rodando más fácil que un neumático barato con una carcasa rígida. Del mismo modo, como lo señalan los neumáticos de camiones Goodyear, un neumático con una caja de ahorro de combustible beneficiará a la economía del combustible a través de muchas vidas de carga (es decir, retreading), mientras que un neumático con un diseño de carga "salvable" sólo se beneficiará hasta que la carga se agote.
• En neumáticos, el espesor y la forma de la pisada tiene mucho que ver con la resistencia a la rodadura. El más grueso y más contorno de la pisada, el más alto de la resistencia a la rodadura Así, los neumáticos de bicicleta "rápidos" tienen muy poco pisada y los camiones pesados obtienen la mejor economía de combustible como la pisada del neumático se agota.
• 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 de velocidad del mundo se han fijado en ruedas relativamente estrechas, probablemente debido a su ventaja aerodinámica a alta velocidad, que es mucho menos importante a velocidades normales.
• Temperatura: con neumáticos sólidos y neumáticos, la resistencia a la rodadura ha disminuido a medida que aumenta la temperatura (en una gama de temperaturas: es decir, hay un límite superior a este efecto) Para un aumento de la temperatura de 30 °C a 70 °C la resistencia a la rodadura disminuyó en 20-25%. Los corredores calientan sus neumáticos antes de las carreras, pero esto se utiliza principalmente para aumentar la fricción de neumáticos en lugar de disminuir la resistencia a la rodadura.

Ferrocarriles: Componentes de resistencia a la rodadura

En un sentido amplio la resistencia a la rodadura se puede definir como la suma de componentes:

1. Pérdidas de par de ruedas.
2. Resistencia a la rodadura pura.
3. Sliding de la rueda en el carril.
4. Pérdida de energía al lecho (y a la tierra).
5. Pérdida de energía a la 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) o cónicos (Estados Unidos). La resistencia a la rodadura específica de los rodamientos varía tanto con la carga como con la velocidad de la rueda. 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 ruedas de acero en carril de acero de un tren es mucho menos que la de las ruedas de goma 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 ligeros.

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, lo que es mucho más 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 un 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 con un galón de combustible", mientras que algunas fuentes afirman que los camiones mueven una tonelada de transportan alrededor de 130 millas por galón de combustible, lo que indica que los trenes son más eficientes en general.