Estudiar el neumático es básico y esencial para la competición y la automoción. Pues es el único elemento del vehículo que interactúa con el asfalto.

Historia

Lo primero, saber de dónde viene este elemento de nuestros coches. Antiguamente, se conducían los carruajes utilizando ruedas grandes de madera encajadas en ejes. Éstas ruedas se rozaban y golpeaban muchísimo al contacto con el terreno, produciendo mucho desgaste y roturas, y al estar éstas encajadas en los ejes su cambio se hacía demasiado complicado. Para solucionar esto, se empezó a utilizar trapos para cuidar la superficie de la rueda. Pero no fue hasta que John Boyd Dunlop se le ocurrió utilizar una capa de goma con una cámara de aire para cubrir las ruedas de los carruajes. Tras varios años, fue la empresa francesa Michelin la que diseñó una estructura nueva y revolucionaria, utilizar una estructura con hilado radial, la cual utilizamos hoy en día.

Prototipo de John Boyd Dunlop de 1888

Funcionamiento

Tras esta rápida historia sobre el neumático, vamos a explicar el funcionamiento de éstos. Los neumáticos están hechos de hilos de acero envueltos de una o más capas de goma. La química empleada para la fabricación es secreta y sólo conocida por los fabricantes. Ésta goma funciona debido a dos reacciones con el asfalto.

El primer efecto que genera el agarre de éste componente con el asfalto es el rozamiento con éste. Todos sabemos que el asfalto es rugoso, está constituido por piedras y una amalgama que las mantiene unidas, generando una superficie llena de huecos y picos con formas irregulares. El neumático roza con el asfalto y genera una fuerza que dependerá del compuesto de cada neumático y la fuerza que soporte. Este efecto produce un tercio de la fuerza que un neumático puede generar.

El segundo efecto por el cual un neumático trabaja es el enlace químico. Cuando un compuesto alcanza una zona sin usar del asfalto y bajo condiciones de temperatura correcta, éste compuesto literalmente se fusiona microscópicamente con el asfalto creando una fuerza tan grande que literalmente arranca trozos de goma del neumático. Esta goma se queda adherida en el asfalto y caliente debido a la deformación generada por ser arrancada del resto del neumático. Cuando otro coche pasa por esa goma que ha quedado en el asfalto, se genera una reacción química entre la goma del neumático y la adherida en el asfalto. Ésta reacción genera una adhesión más rápida que la generada normalmente con el asfalto limpio, ya que la goma del asfalto ya está caliente.

El agarre por enlace quimico es capaz de "arrancar" elementos del asfalto (Indycar)

Rendimiento

Ya sabemos los principios en los que funciona un compuesto de neumático, ¿pero cómo hacemos funcionar un neumático de forma correcta?

Un neumático necesita de una carga para poder funcionar correctamente. Cuanta más carga más fuerza puede transmitir, pero hasta cierto punto. Las leyes de la física mecánica argumentan que un objeto debe vencer una cierta fuerza para poder deslizar sobre otro, esa fuerza es igual a la carga vertical y un coeficiente de rozamiento que dependerá de las superficies de cada objeto.

     F = µ*Fv

     F es la fuerza resultante

     µ es el coeficiente de rozamiento

     Fv es la fuerza vertical.

El coeficiente de rozamiento depende de cada compuesto y asfalto. Mientras las fuerzas que actúen en los neumáticos no superen la fuerza máxima de rozamiento, el neumático se agarrará al asfalto dirigiendo o manteniendo el coche. Una vez que la resultante de todas las fuerzas supere la fuerza máxima que un compuesto pueda llegar transmitir, el neumático derrapará y no transmitirá la fuerza necesaria para mantener el control del coche.

Éste último factor se puede plasmar en el círculo de adherencia. Las fuerzas que un neumático puede llegar a generar se pueden dibujar como un círculo que representa la fuerza límite. Ese límite puede ser un círculo más grande o más pequeño dependiendo de la fuerza vertical que hay en ese momento en el neumático. Cuando un coche gira, las fuerzas se pueden representar como un punto que se mueve dentro de este círculo hacia un lado u otro. Lo mismo pasa con la aceleración y la frenada pero en vertical. Pero cuando se fuerza mucho el compuesto, el punto puede salirse del círculo, reduciendo el agarre y haciendo que el neumático no trabaje como debería hacerlo, y finalmente, derrapar.

El circulo de fricción indica los limites de agarre del neumático frente a las fuerzas principales

Cada neumático soporta fuerzas en varias direcciones. Pero las más usadas son la fuerza lateral y la fuerza longitudinal. Estas fuerzas han sido estudiadas por diferentes científicos y marcas dejando una gran cantidad de fórmulas diferentes para poder ser analizadas. A cada una de estas fórmulas se las llama “Modelo de neumáticos” y sirven tanto para vehículos de carretera como de circuito. Tras la aplicación de una de ellas se pueden obtener gráficas como la siguiente.

Gráficas extraídas del modelo de neumáticos de iRacing con Motec (Mazda MX5)

Se pueden observar las dos ramas de fuerzas que un neumático soporta hacia un lado y hacia otro, prácticamente simétricas. En ellas se muestra también el rango de fuerzas máximas que el neumático soporta, en forma de cresta, en la que girar más el neumático conlleva un derrapaje, y la fuerza comienza a decrecer. Cabe destacar que estas gráficas varían dependiendo del compuesto, temperatura, presiones y carga, entre otra larga lista de factores. Con esta información se puede saber en qué zona de agarre está funcionando el neumático y modificar el set del coche para obtener mejor rendimiento.

Sin embargo, hay muchos factores que pueden hacer variar el agarre de cada neumático. Uno de ellos es la Temperatura. Es bien conocido que un neumático debe trabajar en un rango de temperaturas para poder funcionar correctamente, ¿Pero cuál? Depende de cada compuesto. En iRacing se puede observar que dependiendo del coche que se escoja las temperaturas de trabajo varían, y es porque no usan todos los mismos compuestos. Elegir en qué rango de temperaturas quieren que funcionen tus neumáticos es crucial a la hora de hacerlos trabajar correctamente. La única manera de saber esto es realizando pruebas hasta encontrarla.

En vehículos con facilidad para superar el limite de adherencia del compuesto el control de su temperatura es vital

Otro factor muy importante es la presión de los neumáticos. Escoger una presión óptima es esencial. Demasiada presión hará que se caliente demasiado la zona central del neumático, reduciendo el agarre tras un número de vueltas, y quizás generando graining en el exterior de los neumáticos, o blistering en el interior de la carcasa. Demasiada baja presión generará más calor en los extremos del neumático, y también puede crear los efectos de blístering y graining por exceso de calor. Se suele decir que un neumático con baja presión genera más agarre que uno con mucha presión, es cierto hasta cierto punto. Si se han de hacer largos stints no es recomendable usar bajas presiones, pues los extremos se desgastarían demasiado, perdiendo un considerable agarre en los compuestos debido al arranque de goma del neumático. Además, las presiones correctas mantendrá la mayor área de neumático en contacto con el asfalto, esto significa mas goma para poder utilizar y reducir el esfuerzo que éstos soportan, reduciendo el desgaste.

La presión es uno de los elementos claves en el rendimiento del neumático y, por tanto, del vehículo

Optimizar un neumático es de las tareas más complicadas en el mundo de la competición. Y cada compuesto trabaja de una manera distinta. Sólo en Fórmula 1 se gastan millones de euros en estudiar los neumáticos para cada temporada. Se pueden hacer pruebas para estudiarlos, lo cual conlleva mucho dinero y tiempo en investigación, o se pueden comprar los datos al fabricante lo cual ahorra tiempo a cambio de una cantidad de dinero importante por una información específica. Los fabricantes no suelen ofrecer todos los datos fácilmente, y sólo ofrecen los datos específicos que un equipo pide. Así que el cómo obtener esa información depende de cada equipo y su presupuesto.

Del desgaste de los neumáticos se puede extraer información valiosa de como fue su desempeño en pista

Prácticamente cada parámetro de set up del coche está dirigido a hacer funcionar los neumáticos de forma correcta. A alcanzar las temperaturas óptimas que necesita, las presiones, y fuerzas necesarias para utilizar sus prestaciones al máximo.

Como se puede ver, entender y usar los neumáticos no es tarea fácil y es una de las funciones principales de un ingeniero de pista para obtener un gran resultado al terminar el fin de semana.

Adrian Castillo
Redactor: Adrian Castillo
Sobre mi:
An enthusiastic engineer who loves racing and simracing. @S2Vesports simracing engineer. Oxford Brookes Motorsport Engineering.
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Gente en la conversación

  • Ignacio Herrero Ruiz

    Interesante artículo. Efectivamente todos o casi todos los parámetros del setup están relacionados con la adherencia y rendimiento de los neumáticos.
    No sé hasta que punto iRacing gestiona este apartado, pero yo no veo en la pantalla F6 cambios significativos durante las carreras.
    Me gustaría saber si JRT actualiza los datos con más eficiencia.
    Gracias por tu aporte. Un saludo.

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