Neumáticos de F1

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Neumáticos Neumáticos de F1 El apartado de ”Neumáticos” abarca las siguientes lecciones: 1.5.1. Básicos de los Neumáticos 1.5.2. Características de los Neumáticos en F1 1.5.2.1. Desgaste 1.5.2.2. Flexibilidad 1.5.2.3. Deriva 1.5.2.4. Presió n 1.5.2.5. Adherencia

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Neumáticos

Neumáticos de F1

El apartado de ”Neumáticos” abarca las siguientes lecciones:

                       1.5.1.     Básicos de los Neumáticos

                       1.5.2.     Características de los Neumáticos en F1

                                        1.5.2.1.       Desgaste

                                        1.5.2.2.       Flexibilidad

                                        1.5.2.3.       Deriva

                                        1.5.2.4.       Presión

                                        1.5.2.5.       Adherencia

                                                               1.5.2.5.1.      Parámetros constructivos

                                                               1.5.2.5.2.      Presión de Inflado

                                                               1.5.2.5.3.      Temperatura

                                                               1.5.2.5.4.      Carga normal

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                                                               1.5.2.5.5.      Caída

Básicos de los   Neumáticos

Un neumático es esa especie de donut negro, cuya composición suele ser un auténtico misterio y cuya construcción, junto con el gas de inflado que confina, le da suficiente rigidez para soportar las cargas a las que está cometido al descansar y desplazarse el vehículo sobre ellos. En definitiva son el único vínculo que existe entre el vehículo y el entorno, los encargados de transmitir y generar todas las fuerzas que provocan cambios en la dinámica del vehículo.

Los neumáticos son sin lugar a duda el elemento más importante desde el punto de vista prestacional de un vehículo, sea cual sea éste. Esta afirmación, podría considerarse una exageración o una simple declaración de preferencias o principios por parte del autor, pero nada más lejos de la realidad. Las simulaciones computacionales, y la terca realidad, arrojan en este sentido indiscutibles resultados. Cuantifiquemos pues la importancia prestacional de los neumáticos: para ello compararemos la mejoría esperada con una completa, compleja y precisa simulación en los tiempos por vuelta en un circuito completo (p.ej. Montmeló) bajo la nueva normativa 2009, tras la mejora de algunos de los principales elementos prestacionales.

Así comprobamos que una mejora del 5% de la potencia entregada por un motor en todo su rango de uso significa una mejora en los tiempos por vuelta de un 0.65%. Es decir si el tiempo por vuelta original fuese de 82 segundos, tras la introducción de este nuevo motor evolución con un 5% más de potencia [lo que significaría por ejemplo en un F1 del 2009, pasar de una potencia máxima de 780 a 820cv] el tiempo por vuelta mejoraría unos 0.5 segundos.

Una mejora de ese mismo 5% en la potencia de frenado disponible, en ese mismo circuito de referencia, supondría una mejora de menos de 0.1 segundos.

Podemos plantearnos cuanto sería la reducción de tiempo por vuelta, si conseguimos aumentar un 5% la carga aerodinámica sin perjuicio alguno sobre la resistencia al avance del vehículo. En este caso la mejora en tiempo por vuelta esperable es de un 0.75%, es decir que nuestra vuelta ideal en Montmeló pasaría de los originales 82 segundos a los 81.4 segundos con esta revolución aerodinámica.

Y por último podemos plantearnos cual sería la mejora del tiempo por vuelta si la adherencia de nuestros neumáticos mejorase en un 5%. En ese caso, la reducción de tiempo esperable asciende a un ¡2%! es decir que con estos nuevos neumáticos nuestro tiempo objetivo pasaría de ser de 82 segundos a ser de prácticamente de 80.4 segundos.

Fíjese el lector en la brutal diferencia en la mejoría de tiempos frente a una misma variación en diferentes elementos de influencia en las prestaciones. Y para concluir intente imaginar el esfuerzo de ingeniería que supone mejorar en un 5% la potencia entregada por el motor,

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o la carga aerodinámica sin perjuicio en la resistencia. Y a continuación se sorprenderá de lo relativamente sencillo que es perder cuotas muy notables de grip o adherencia.

Claro que no todos los neumáticos son iguales, ya que hay de varios tipos y medidas, todo y con diferentes especificaciones. Pata diferenciarlos unos de otros, se usan estos códigos:

Código de los neumaticos:

Esquema códigos de un neumático de F1

1-Nombre del fabricante y la marca. 2-Tipo de dibujo en el neumático. 3-Denominación del neumático. 4-Longitud nominal de la sección en milimetros. 5-Medidas de altura y anchura del neumático. No viene indicado cuando la longitud se expresa en pulgadas. 6-Código de velocidad. En caso de estructura radial se indica con la letra ” R”. 7-Diámetro del interior en pulgadas.8-M/C se utiliza en los Estados Unidos en los neumáticos igual o inferior del 15 “. 9-Índice de carga. 10-Código de velocidad. Indica la velocidad máxima que puede alcanzar el neumático . 11-Informa que el neumático viene montado sin cámara de aire. 12-Indica que el neumático es del tipo reforzado. 13-Expresa la carga máxima del neumático a la presión indicada ( en PSI ).

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14-Indica el país de procedencia. 15-Informa que el neumático cumple las normativas vigentes en USA y en Canada.

Codigo de Velocidad

L 120 Km/hT 190 Km/hM 130 Km/hU 200 km/hP 150 Km/hH 210 Km/hR 170 Km/hV más de 210 Km/hS 180 Km/hZ más de 240 Km/h

Los neumáticos de F1 son de diseño radial. Este diseño proporciona menor deriva. Además con ellos, la superficie de contacto no varía.

El neumático radial:

Neumático radial

- una Carcasa flexible, dispuesta en arcos radiales- un cerco metálico para estabilizar la banda de rodadura

- el trabajo de la banda de rodamiento es independiente del de los flancos

El neumático convencional:

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Neumático convencional

- superposición de las lonas cruzadas- las funciones de la cima y los flancos no están diferenciadas

Los aficionados que lleven tiempo interesados por este deporte, quizás sepan que hace unas temporadas, se utilizaban este tipo de neumáticos:

Neumático para mojado y neumático para seco.

El dibujo del neumático para mojado, como ya sabemos, es para favorecer la correcta evacuación del agua.

Los canales longitudinales (4 exactamente) del slick, no obedecen a ninguna necesidad. Simplemente están ahí por imposición de la FIA desde 1998 hasta 2008. Querían disminuir la superficie de contacto sobre el asfalto para, ralentizar un poco a los F1 en su paso por curva (Menos superficie de contacto=menor agarre=menos velocidad en curva si no te quieres salir).

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Detalles de los canales longitudinales, de los neumáticos empleados en f1, desde la temporada 1998 a la 2008

El problema que conllevan, es que esta disminución del agarre hace a los F1 más inestables (Una bonita solución para aumentar la tan cacareada seguridad…), al coche menos ágil (Con mayor dificultad para hacer adelantamientos al límite) y al espectáculo.

Claro que desde la temporada 2009, los neumáticos de seco, vuelven a ser slicks completamente, sin canales longitudinales, ni nada por el estilo. Tal y como lo eran hasta la temporada 1998.Los neumáticos de seco, duran entre 80 y 200 km, dependiendo de su dureza (La distancia promedio de un GP, rondara los 300 Km). Trabajan a entre 70 y 90ºC.Los de mojado, pueden durar toda la carrera…siempre que circulemos sobre mojado. Como haya zonas secas, el dibujo dura lo que dura un suspiro. Y es que mientras están hechos para trabajar a unos 40-50ºC.Como pasemos demasiado de esa temperatura, no nos duran ni 3 vueltas, debido a las enormes temperaturas que alcanzaría por el rozamiento con el pavimento seco.

Los equipos también disponen de un tercer tipo de neumático, el mixto.

Neumático Mixto

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No es más que una solución de compromiso, para esos días en los que no se puede predecir el tiempo con suficiente fiabilidad, o para casos especiales en los que la pista está muy húmeda en algunas zonas y seca en otras.

Por ejemplo, el circuito de Spa-Facorchamps con sus 7 Kms, más o menos, sería un buen ejemplo en el que tranquilamente puede hacer sol en un extremo y llover en el otro.

Como veis el neumático mixto, no consiste más que en uno de lluvia con el dibujo mucho menos marcado y de mayor simpleza. Es decir, una solución intermedia.

Los tres tipos de neumáticos

Características de los Neumáticos de un   F1

Ingeniero de neumáticos de F1 midiendo la temperatura del asfalto. Un facto muy importante en el comportamiento de un neumático.

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Los neumáticos de formula 1, presentan unas características debido a que, están traccionando en todo momento al asfalto, y forman parte de la suspensión. Con lo que sufre por ambos lados, por el asfalto, y por tener que soportar todo el peso del monoplaza, con los efectos sobre el mismo neumático que esto conlleva.

Por ello, las características que presenta un neumático de F1, son las siguientes:

-Desgaste

-Flexibilidad

-Deriva

-Presión

-Adherencia

Desgate

Neumáticos de F1 desgastados

Uno de los principales problemas que vuelve locos a los ingenieros con los neumáticos, es el degaste de estos. Esto es debido al constante rozamiento, a altas temperaturas, entre el neumático y el asfalto, lo que conlleva al desgaste de las gomas.

Soluciones para controlar el desgaste de los neumáticos:

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Podemos poner un compuesto más duro. El problema es que los compuestos duros agarran menos. Por lo que tendremos que aumentar la carga aerodinámica (Aumentar el Angulo de los alerones) para que este compuesto duro tenga un agarre aceptable.

Efectos sobre los neumáticos, debidos al desgaste de estosComo las fibrillas o cuerdas que componen el material, friccionan entre sí al verse sometidas a brutales tracciones y compresiones, además de ser sometidas a constantes cambios de temperatura, esto da lugar a que se produzcan diferentes efectos en los neumáticos.

Existen tres tipos de estos efectos:

Blistering

Es la formación de ampollas en los neumáticos, debidas al recalentamiento excesivo de la goma, o por su uso excesivo, y que se traduce en vibraciones y un menor agarre al suelo.

Blistering

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Chunking

Es un problema de neumáticos, consistente en la rotura de este en tacos compactos. Originado, bien por el roce excesivo en pista cuando se pegan en el neumático caliente los restos fríos de otros neumáticos que quedan esparcidos en la pista, o bien por desgaste excesivo de los compuestos duros, haciendo que el trenzado metálico de la cubierta se desprenda del neumático.

Chunking

Graining

Es un efecto de descomposición o desgaste irregular de las ruedas. Presenta una especie de granulado irregular, lo que disminuye el agarre. Producido por los leves deslizamientos laterales en curva, provocando que la goma se vaya desplazando lateralmente hacia el lado con menor carga. En casos extremos crea una serie de bandas paralelas de capas de goma desplazada. En cualquier caso, cuando se produce graining, el neumático pierde agarre y eficacia. Se puede corregir aminorando el ritmo durante algunas vueltas, las necesarias para eliminar por fricción dichas bandas.

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Los neumáticos tienen tres ejes de flexibilidad: uno vertical (se deforman por el peso), otro transversal (en curvas) y otro longitudinal (aceleraciones, frenadas…).

Si empujáis lateralmente a un vehículo estacionado, veréis que se balancea hacia los lados. Suspensiones a parte, estáis sometiendo a las ruedas a un esfuerzo. Ponéis a prueba su flexibilidad transversal. Por ello, mientras sea lo suficientemente flexible se deformara.

Deriva

Gráfica de la deriva de un neumático

Se llama deriva de un neumático sometido a un empuje lateral, a la variación de trayectoria registrada en el rodaje como consecuencia de una deformación de la cubierta.

Si vais por un puente y el viento azota de lado, tenéis que corregir un poco la dirección para seguir yendo rectos. Es decir, si tratáis de ir de frente como si no pasara nada, el coche tiende a irse a un lado. Por ello, tendréis que mantener el volante un poco girado para contrarrestar la acción del viento.

En una curva pasa lo mismo, el neumático no va exactamente por donde le dictamos. Siempre sufre una pequeña alteración en su trayectoria. Esto es debido a la flexibilidad del caucho.

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Si usamos ruedas de perfil bajo (Llanta 17 o 18 en coches de calle en vez de 15), disminuiremos la deriva porque hay menos caucho para deformarse y absorber con ello los esfuerzos.

Gráfica de la deriva del neumático izquierdo de un F1

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Mecánico poniendo presión a los neumáticos de F1

El neumático de un F1 tiene una presión teórica de 1.4 bares. Esta presión es la que se considera obligatoria para realizar tareas de medición del neumático (Diámetro, longitud de la banda de rodadura…)

En la práctica, se usan presiones de 1.1 bares más o menos. Hay que recordar que en carrera el neumático se calienta, así que el aire que tiene en su interior también. Esto hace que aumente su volumen y por consiguiente su presión.

Puesto que en F1 las gomas pueden llegar hasta los 200ºC, los neumáticos son hinchados con un nitrógeno especial, procurando que el gas esté libre de humedad. Así, se evitan variaciones excesivas de presión.

Normalmente se utiliza una mezcla de gas comprimido (78% Nitrógeno, 21% Oxígeno, 1% Otros), con un porcentaje de humedad desconocido. Las ventajas de esta mezcla son las que paso a enumerar a continuación:

Menor variación de la presión con la temperatura. Temperatura de trabajo menor. Menor ruido de rodadura. Reducción del consumo. Aumenta la seguridad, ya que existe menor riesgo de explosión (en aviones sólo se utiliza

nitrógeno). Se reduce la oxidación de la llantas.

Gracias al “famoso espionaje” de McLaren a Ferrari en el año 2007 que sobrevoló la Fórmula 1, llegó a transcender una de las innovaciones del equipo de Maranello. El equipo italiano no utiliza la mezcla de gas “habitual”, de la cual hemos enumerado sus ventajas respecto al aire atmosférico. Y como es habitual en Ferrari, han dado una vuelta de tuerca más. Los neumáticos del F60 contienen un gas llamado HFC o Hidrofluorocarbono, un gas similar al usado en sistemas de aire acondicionado.

Este gas contiene un 52% de tetrafluoroetano, un 44% de pentafluoretano y un 4% de trifluoroetano. Esta mezcla es conocida como GFC 404A. Los gases tipo HFC tienen la propiedad de conducir la rotación por convección del calor generado durante la rotación del neumático a la llanta a una presión casi uniforme. La llanta actúa como radiador, disipando el calor. Resulta especialmente eficaz en llantas de aleación ligera utilizadas en la F1, de aluminio y magnesio, evitando el sobrecalentamiento del neumático.

Las ventajas más destacables del uso de HFC son:

Durabilidad del neumático más elevada. Temperatura del neumático casi constante. Posibilidad de usar compuestos de goma más blandos. Beneficios en carreras de larga duración como NASAR o Le Mans

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Adherencia

La adherencia depende del coeficiente de fricción µ

Es la finalidad principal que buscamos en un neumático (También podemos llamarlo agarre). Si conseguimos dotarlo de suficiente adherencia, no solo podremos tomar las curvas a mayor velocidad sino que también podremos transmitir al suelo esfuerzos de aceleración o frenada mayores, sin derrapar.

La fuerza de rozamiento que sufre la goma se divide en dos:Fuerza de adherencia y fuerza de histéresis (Es una palabra fea, pero es más sencilla de entender de lo que parece)

Si sometemos a la acción de una fuerza (Por ejemplo, en una aceleración fuerte) al caucho, este sufre una deformación proporcional. Una vez desaparezca esta fuerza, el caucho debería volver a su forma original. Pero esto, no es así al 100%. Aún en reposo será perceptible una pequeña deformación, recordándonos que ese material ha sido sometido en el pasado a un esfuerzo.

Ahora imaginemos una rueda de caucho que una vez deformada vuelva a su forma inicial en milésimas de segundo. Al principio perdería adherencia, pero como por sus propiedades, vuelve casi a su forma original muy progresivamente, el contacto con el asfalto es más duradero. En eso se basa la histéresis.

La adhesión y la histéresis son los componentes del rozamiento. Este se mide mediante un coeficiente de rozamiento que nos indica el grado en que dos superficies rozan entre sí.

Mayor coeficiente de rozamiento(µ) = Mayor agarre

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Menor coeficiente de rozamiento(µ) = Menor agarre

El neumático de un F1 tiene un µ > 2.1.

Es bastante, comparado con el µ < 1.2 de los neumáticos de los deportivos de calle, o con el ridículo µ = 0.9-1.0 de los neumáticos que usamos en nuestros automóviles particulares.

Es decir, la adherencia o grip, es una cualidad del neumático, y define la fuerza máxima transmitible a través de la interfaz de contacto (esapequeña superficie en la que el asfalto y el neumático se encuentran).

En realidad es una simplificación hablar de un único valor de grip máximo, puesto que la fuerza longitudinal máxima transmitible en tracción es distinta que la fuerza longitudinal máxima disponible en frenada. E incluso el grip disponible para girar a derechas puede ser notablemente diferente al grip disponible para girar a izquierdas (pronto veremos porqué). A su vez las adherencias longitudinales pueden diferir notablemente de las laterales. Todo ello debido a las muy notables y diversas deformaciones que se producen en la interfaz de contacto, que tienen una importantísima influencia en el grip del neumático y a las que dedicaremos, otro día, un artículo completo.

En cualquier caso hablar de ‘grip’ es una notable simplificación. Pero dado que a veces las simplificaciones bien hechas traen consigo una mejor comprensión de los problemas, a partir de ahora consideraremos el fenómeno de iteración entre el neumático y el suelo como un fenómeno clásico de rozamiento. Es decir, consideraremos que el grip disponible en un neumático (es decir la fuerza máxima transmitible a través de la interfaz de contacto) depende de dos factores: la carga normal (vertical) que descansa sobre el neumático y un coeficiente de adherencia. Es decir:

Grip = u * N

Donde u es el coeficiente de rozamiento entre el neumático y el asfalto (a partir de ahora adherencia) y N es la carga normal o peso que descansa sobre el neumático. En otras palabras u (la adherencia) es la relación que existe entre el peso que soporta un neumático y la fuerza máxima que podemos aplicar a ese neumático antes de que este comience a deslizar. Un ejemplo: seguro que el lector tiene encima de la mesa algún elemento, como por ejemplo, un móvil. Si intenta empujar ese móvil suavemente con un dedo se dará cuenta de que puede aplicar pequeñas fuerzas sin que el objeto se mueva. Y si sigue aumentando la fuerza aplicada con el dedo llegará un momento en el que el móvil se deslice sobre la mesa. Enhorabuena: acaba de superar el grip del conjunto móvil – mesa.

Si pudiésemos medir la fuerza que aplicamos con el dedo para intentar mover el móvil sobre la mesa nos encontraríamos en que hay una relación entre la fuerza mínima necesaria para mover el objeto, y el peso del mismo. Esa relación es la adherencia (u). Así si el móvil pesa 100gr, encontraríamos que la fuerza a aplicar para iniciar su deslizamiento sería de (por ejemplo) 25gr (o 0.24525N). Con lo que la adherencia entre la mesa y el móvil sería de:

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u = grip / N = 25 / 100 = 0.25

Si repitiésemos el ensayo con un peso extra sobre el móvil (por ejemplo un pequeño lastre de 100gr) nos encontraríamos que el grip se habría duplicado, al igual que el peso del conjunto a desplazar, y por lo tanto la adherencia seguiría invariable, con un valor de 0.25. Y exactamente lo mismo pasaría si ponemos el móvil de canto. Es decir para sólidos muy rígidos la adherencia se presenta como una cualidad casi constante, independiente de la superficie de contacto, y de otras variables.

Pero, para los neumáticos esto no es en absoluto cierto. Si repitiésemos el mismo ensayo anterior con un neumático rodando sobre asfalto nos encontraríamos con que la adherencia (la relación entre grip y carga normal) es muy variable. Notablemente variable. Y ya hemos dicho que pequeñas variaciones en la adherencia implican enormes cambios en las prestaciones del vehículo, ya que en definitiva esta adherencia limita los esfuerzos máximos transmitibles al suelo: sean estos de tracción (provenientes del motor), de frenado o laterales (giro). Además nos encontraríamos con la sorpresa de los valores de adherencia ofrecidos por un neumático rodando son muy superiores: con valores que en un buen neumático de competición pueden llegar a estar por encima de 2.0 (es decir: la fuerza necesaria para hacer deslizar un neumático duplicaría al propio peso que descansa sobre el neumático) y cerca o ligeramente por encima de 1.0 en un muy buen neumático de calle.

¿De qué depende la adherencia?

Sin dejar de tener por tanto presente que estamos hablando de una simplificación muy notable del comportamiento, podemos plantearnos qué variables tendrían mayor influencia en un ensayo como el anteriormente descrito a la hora de caracterizar la adherencia de un neumático. Y nos encontraríamos con los siguientes parámetros de gran influencia:

-Parámetros constructivos

-Presión de Inflado

-Temperatura

-Carga normal

-Caída

Parámetros   Constructivos

En cualquier competición, para obtener los niveles óptimos de adherencia es importantísimo seleccionar siempre el neumático adecuado y adaptado al estado de la superficie sobre el que discurre la competición. Esta adecuación a la aplicación se consigue trabajando sobre tres parámetros fundamentales y con cierta correlación entre ellos: la rigidez del neumático, el dibujo y el compuesto del mismo.

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El primer parámetro de adecuación es la rigidez del neumático. De modo simple, el lector podrá imaginar que un neumático diseñado para obtener la mejor adherencia rodando sobre grava difiere notablemente en rigidez estructural del neumático diseñado para circular por un perfecto asfalto de circuito. Un neumático de grava en un circuito puede ofrecer valores de adherencia de 0.5, mientras que rodando sobre grava puede subir a 0.7. Y un neumático expresamente diseñado para circuito puede ofrecer valores de adherencia de 1.5 en un buen asfalto, y de 0.5 sobre grava. Ejemplo extremo, pero existen pequeños matices, pequeñas diferencias estructurales entre neumáticos específicamente diseñados para una aplicación, que pueden marcar diferencias notables.

Por el momento, y como ya habíamos adelantado y tras este simple ejemplo, dejaremos al margen el análisis de las características estructurales de los neumáticos, pero conviene recordar que su influencia es importantísima en la adherencia del neumático. Y es que de los parámetros constructivos depende en enorme medida la respuesta deformacional del neumático frente a diferentes solicitaciones: como pueden ser la tracción, frenada y giro. Y cerca de los límites de adherencia, es decir, bajo esfuerzos cercanos a la rotura del grip disponible y el comienzo del deslizamiento, estas deformaciones son espectaculares. Así, cualquier neumático (sea cual sea: de un F1, de un LMS o de un coche de calle) sufre enormes deformaciones y vibraciones en el área de contacto, que hace que cerca de los límites de adherencia (de tracción, frenada o giro) la interfaz de contacto pierda hasta un 50% de su superficie original, lo que obviamente y dada la naturaleza de los mecanismos de adherencia de un neumático tiene una enormeinfluencia en el grip máximo disponible. En realidad, bajo estos fenómenos deformacionales (sobre los que escribiremos en detalle) se esconden todas las variaciones en la adherencia que luego analizaremos.

Otro parámetro interno de indudable influencia en la adecuación de un neumático a su aplicación es el dibujo de este. Creemos que esto no requiere mayor explicación.

Por último es imprescindible seleccionar bien el compuesto a utilizar: lo que nos permitirá disponer de la bien preciada adherencia durante el tiempo que sea necesaria. Generalmente asociamos el compuesto a las propiedades de los elastómeros y gomas que forman la superficie del neumático. Así se denominan compuestos blandos a aquellos de menor dureza superficial, que suelen ofrecer mayores valores de adherencia, en cortos intervalos temporales a costa de un mayor desgaste. Por el contrario los compuestos duros, de mayor dureza superficial, suelen ofrecer menores valores de adherencia comparativamente, pero sus propiedades se mantienen más estables durante un mayor periodo de solicitación. A continuación se muestra la variación de la adherencia disponible con el paso de los kilómetros de dos neumáticos de idéntica estructura interna, uno de compuesto duro otro de compuesto blando, en idénticas condiciones:

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Gráfico de la variación de la adherencia disponible con el paso de los kilómetros de dos neumáticos de idéntica estructura interna, uno de compuesto duro otro de compuesto blando, en idénticas condiciones.

Obviamente para stints cortos la opción ideal es la del compuesto blando (más adherente en los primeros kilómetros), y para stints largos el compuesto duro (menos adherente, pero mucho más estable). Para stints intermedios (entre 45 y 55km) el problema se complica. Por último, señalar que en los catálogos de los fabricantes de neumáticos suelen existir infinidad de compuestos intermedios e incluso más extremos.

Desafortunadamente en la F1 actual (2009) la normativa impide a los equipos disponer de los que hemos denominado parámetros internos del neumático (estructura, dibujo y compuesto) como variables de optimización, y modificación del grip disponible, y por lo tanto de la dinámica vehicular.

Presión de   Inflado

La presión de inflado es un parámetro fundamental para el buen funcionamiento del neumático, ya que la rigidez del mismo (y por lo tanto sus deformaciones bajo solicitaciones) depende muchísimo de esta variable, y consecuentemente de ello depende también la adherencia máxima disponible. Por lo general en un neumático de competición como el de un F1, el gas de inflado aporta más del 90% de su rigidez al mismo, y por lo general (en los entornos de presión de trabajo óptima) al aumentar la presión de inflado la rigidez del neumático aumenta de manera lineal.

Cada neumático está diseñado para trabajar en un determinado rango de presiones. En el caso de un F1 estas presiones suelen moverse en el entorno de 1.0 bar, que son presiones relativamente bajas comparadas con las que habitualmente manejamos en nuestros vehículos de serie (entorno a 2.5 bar). Las razones son múltiples: la diferencia de peso (un F1 soporta un peso prácticamente la tercera parte que un coche de serie medio, aunque a velocidades máximas la carga aerodinámica puede llegar a cuadriplicar la carga normal

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sobre los neumáticos), la mayor superficie de contacto para la que es diseñado el neumático, la variabilidad del volumen interno bajo carga del neumático de un F1, etc. Pero de cualquier modo el neumático de un F1 esta explícitamente diseñado para trabajar a esas presiones, al igual que un neumático de calle lo está para trabajar a otras muy superiores.

Las variaciones en las presiones de inflado, como hemos dicho, provocan variaciones en la rigidez estructural del neumático, lo que implica en definitiva variaciones en su comportamiento, y por lo tanto en su adherencia. La a continuación mostrada es una típica curva de correlación entre valores de presión de inflado de un neumático de F1 y la adherencia disponible.

Curva de correlación entre valores de presión de inflado de un neumático de F1 y la adherencia disponible.

De la observación de la anterior curva podemos obtener importantes conclusiones. La primera es la necesidad de trabajar a la presión exacta. En el ejemplo mostrado la presión ideal es de 1.20bar, presión a la cual el neumático ofrece una adherencia máxima de 1.95. Un error de tan solo 0.1 bar por encima o por debajo hace que nuestro neumático nos ofrezca valores de adherencia, respectivamente, entorno a un 2.5% o un 5% inferiores, debido a las variaciones tanto de: la superficie de la interfaz de contacto, como (principalmente) de la rigidez estructural del neumático. Es por ello que muchas veces vemos a los ingenieros de pista realizando pequeñísimas variaciones en las presiones de inflado para equilibrar el grip disponible en los ejes delantero y trasero.

Por lo tanto en cualquier competición es imprescindible esmerarse para rodar con la presión adecuada ¡en caliente! Como todos sabemos, los gases aumentan proporcionalmente su presión al aumentar su temperatura si les obligamos a mantener su volumen, como muy aproximadamente sucede dentro de un neumático. Así que las presiones que se midan en frío (con el neumático antes de rodar) serán siempre menores que las presiones en funcionamiento, cuando el neumático solicitado aumente su temperatura. La diferencia de presiones en frío y en caliente depende notablemente de la humedad del aire que usemos para inflar la rueda (a mayor humedad mayor diferencia), de ahí el habitual uso de gases

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inertes (como por ejemplo, los más habituales: nitrógeno o aire deshumidificado). Es imprescindible por tanto para maximizar las prestaciones conocer la correlación que existirá entre la presión de inflado del neumático en el box, y la presión de éste una vez sale a pista (que dependerá de la temperatura que alcance el neumático, que dependerá a su vez del estado de la pista, del nivel de ataque que imprima el piloto, de la temperatura de la pista, de otros parámetros de setup, etc.)

Temperatura

Otro parámetro de fundamental importancia y enorme influencia sobre la adherencia máxima disponible en un neumático de competición es su temperatura superficial. Las razones hay que buscarlas nuevamente en los fenómenos micro y macroscópicos que ocurren en la superficie de contacto y que caracterizan las propiedades de dicha interfaz: básicamente, la temperatura permite a la goma literalmente pegarse al asfalto, y por lo tanto aumentar la adherencia. Este mecanismo (que recordemos explicaremos en detalle) es el que básicamente permite disponer de neumáticos de competición con coeficientes de adherencia prácticamente irreales y de valor muy superior a los de calle, con valores por encima de 2.0. Como contrapartida, este mecanismo conlleva un mayor desgaste, ya que el incremento local de la temperatura puede provocar y provoca que el vínculo adherente entre la goma y el suelo sea mayor que entre la goma y el propio neumático, produciéndose por tanto el desprendimiento de la goma, reduciéndose al mismo tiempo la adherencia disponible.

La temperatura ideal de funcionamiento para la consecución de la máxima adherencia depende por tanto de la construcción y constitución del neumático, pero en un neumático típico de competición suele moverse entre 80º C y 120º C. En este momento es imprescindible realizar la primera matización: y es que comúnmente se utilizan como referencia esas temperaturas medidas en el neumático con el vehículo parado, siendo las temperaturas reales de funcionamiento, las existentes en pista, las que ofrecen los mayores valores de adherencia, notablemente mayores (es relativamente habitual medir temperaturas superficiales del neumático por encima de los 170º C). En cualquier caso, y como estándar histórico a día de hoy todavía presente, hablaremos siempre de temperaturas medidas con el vehículo parado.

A continuación se muestra una curva típica de adherencia – temperatura de un neumático de competición, junto con la velocidad relativa de desgaste.

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Curva de adherencia – temperatura de un neumático de competición, junto con la velocidad relativa de desgaste.

Es fácilmente apreciable como los neumáticos de competición disponen de una ventana de temperaturas de uso relativamente estrecha, que en el ejemplo adjunto se situaría en el entorno de los 85 a 100º C. Por debajo de esa temperatura la adherencia disponible decrece rápidamente, y por encima además de perder adherencia se dispara la velocidad de desgaste del neumático.

Y por tanto, es imprescindible trabajar en esa ventana de temperatura teniendo en cuenta los innumerables factores que afectan a la temperatura de trabajo de la goma: pasando por condicionantes climatológicos (temperatura del asfalto y ambiente), el deslizamiento del neumático contra el asfalto (estilo de pilotaje, grip disponible, situación de carrera), carga y trabajo soportado por el neumático (peso del coche, carga de combustible, carga aerodinámica, setup de suspensiones, etc.), calor proveniente de los frenos, y un largísimo etc.

Y podemos imaginarnos también la significativa variación de grip disponible por variación de temperatura con la que se encuentra un piloto en uno y otro eje a medida que entra, pasa y sale de un determinado viraje. Y la problemática de puesta a punto asociada con la que se encuentra el ingeniero de pista.

Carga   Normal

Simplificando el grip máximo disponible en un neumático atendería a una relación del tipo:

Grip = u * N

Así pues, y tal como hemos expuesto hasta ahora, un determinado neumático, a una determinada presión y temperatura, tal que su coeficiente de adherencia es de 1.80 y soportando una carga vertical de 250kg, nos ofrecería un grip máximo de:

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Grip = 1.80 * 250 = 450kg

Siendo esa la fuerza necesaria a aplicar para hacer deslizar el neumático. Nunca es malo ni está de más recordar que, en cualquier caso, esto es una mera aproximación a la realidad, que convierte el problema en más intuitivo.

Cabría preguntarse si exactamente el mismo neumático, en exactamente idénticas condiciones de desgaste, temperatura y presión, pero soportando el doble de carga (es decir 500kg) ofrecería el mismo valor de adherencia. Y la respuesta es: no. A iguales condiciones, sea cual sea el neumático, rodando sobre asfalto, y dentro de sus márgenes habituales de funcionamiento, al aumentar la carga normal disminuye el coeficiente de adherencia, pero aumenta el grip. Numéricamente, sobre nuestro neumático de referencia, al aumentar la carga a 500kg el coeficiente de adherencia se vería reducido a 1.65. Por lo tanto el grip máximo con esta carga sería de:

Grip = 1.65 * 500 = 825kg

Bajo esta nueva carga se ha reducido la adherencia del mismo neumático, pero ha aumentado su grip.

A continuación se muestra una curva característica representativa de correlación entre adherencia y carga vertical de un neumático de competición como el de un F1.

Curva característica representativa de correlación entre adherencia y carga vertical de un neumático de competición como el de un F1.

Y la siguiente sería la curva creciente de grip asociada al aumento de la carga normal:

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Curva creciente de grip asociada al aumento de la carga normal

Esta característica cualitativamente común a todos los neumáticos (aunque no cuantitativamente, los hay más o menos sensibles a la variación de adherencia frente a variaciones de carga normal, nuevamente todo depende de su construcción) tiene una importancia fundamental en la dinámica de los vehículos y en particular de los vehículos de competición. Por dos motivos fundamentales.

El primero es que cuanto más ligero sea un coche, a igualdad de neumáticos, de más adherencia dispondremos. Y por lo tanto mayores serán las aceleraciones (longitudinales y laterales) que se le puedan imprimir antes de romper el grip. El tema no es baladí: acostumbramos a escuchar que un coche ligero (por ejemplo en las clasificaciones) es más rápido porque pesa menos y por lo tanto corre más (en referencia al motor), cuando la realidad es que las variaciones de adherencia tienen una mayor influencia sobre las prestaciones.

Así en un circuito como Montmeló una carga inferior de 10kg de combustible suponen un tiempo objetivo por vuelta 0.35seg inferior. El empuje extra conseguido por el motor al tener que desplazar 10kg menos es de un 0.3%, lo que como hemos dicho significa una mejora en los tiempos de unos 0.03seg. La adherencia extra disponible en los neumáticos al aligerar esos 10kg (según lo que acabamos de exponer) sería de cerca de un 1% superior, lo que en tiempos (y tal como habíamos cuantificado al principio de este artículo) supone una mejoría de 0.32seg. Es decir los tiempos se mejoran principalmente por la mejora en la adherencia y no porque el coche ‘corra más’: al disponer de mayor adherencia el piloto puede frenar más tarde, pasar más rápido por las curvas y aplicar mayor tracción. En definitiva, correr más.

Y el segundo motivo es que esta peculiaridad en el comportamiento de los neumáticos es una de las bases fundamentales sobre las que se trabaja para modificar el equilibrio en el coche. Y es que con un chasis suficientemente rígido (y el de un F1 lo es) variando la rigidez relativa al balanceo de los ejes delantero y trasero (mediante la modificación individual o combinada de parámetros tales como: muelles, estabilizadoras, posición de los

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centros de balanceo o valores de amortiguación) es posible transferir increíbles porciones de carga (por encima del 50% del peso total del F1) desde un eje a otro, y por lo tanto es posible modificar la adherencia disponible por eje según las curvas características que acabamos de exponer.

Imaginemos por ejemplo un hipotético vehículo de competición (sin carga aerodinámica) con una distribución de masas 50% delantero y 50% trasero, y con idénticos neumáticos en idénticas condiciones delante y detrás. En esas condiciones el grip disponible en los ejes delantero y trasero sería idéntico. Pero al girar, al someter a este vehículo a una trayectoria curva, y a través de los mecanismos de suspensión (y variando su rigidez al balanceo) el ingeniero de diseño o de pista puede cambiar la distribución de las cargas normales en cada uno de los ejes cambiando por lo tanto la adherencia disponible. Así este hipotético coche de competición (con distribución estática 50/50 entre sus ejes) avanzando por una curva podría tener una distribución de cargas normales entre ejes delantero y trasero de 40/60, o 41/59 o 70/30, siendo posible por tanto modificar la adherencia de cada uno de sus ejes. Este tema es de tal importancia que dedicaremos un artículo completo a analizar con detalle estos fenómenos y sus consecuencias.

Por el momento, nos quedaremos con la idea de que pequeñas variaciones en la carga normal que descansa sobre cada neumático implican notables cambios en la adherencia máxima que puede ofrecer. Y con el coche en marcha se producen en cada neumático enormes variaciones de carga debido a: las transferencias longitudinales (frenada y aceleración) y laterales (al girar) de peso, a las oscilaciones de carga debidos a la oscilación de la suspensión, la variación de la carga aerodinámica al variar la velocidad, etc.

Caída

El ángulo de caída se define como el ángulo que forma el plano medio de la rueda con la vertical en vista frontal. En esta imagen, y según la definición común, las dos ruedas del eje delantero del R27 tienen caída negativa:

Las dos ruedas del eje delantero de este monoplaza tienen caída negativa

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Este ángulo tiene una influencia enorme sobre el comportamiento deformacional del neumático y por lo tanto como, hemos dicho, sobre la adherencia que puede aportar el neumático. Antes de continuar conviene aclarar una cosa: desde el punto de vista de la adherencia que puede aportar el neumático es necesario redefinir los ángulos de caída, y referenciarlos respecto a la fuerza lateral aplicada. El motivo hay que buscarlo en el muy diferente comportamiento que presenta el neumático con caída en función del sentido en el que es solicitado lateralmente. Obsérvese la siguiente imagen:

El vector verde representa la ‘fuerza centrífuga’ a la que estaría sometido el coche en un giro a izquierdas. Y los vectores en naranja el grip en cada una de las ruedas delanteras que equilibrarían esa fuerza centrífuga.

Realizando una simplificación física, el vector verde representa la ‘fuerza centrífuga’ a la que estaría sometido el coche en un giro a izquierdas. Y los vectores en naranja el grip en cada una de las ruedas delanteras que equilibrarían esa fuerza centrífuga. Al empujar el F1 con esa ‘fuerza centrífuga’ el neumático que vemos a la izquierda (con caída negativa respecto a la fuerza lateral en color verde) está en disposición de ofrecer una adherencia mayor que el neumático de la derecha (que respecto a la fuerza lateral aplicada diremos que posee caída positiva). A partir de ahora nosotros utilizaremos esta definición de ángulo de caída del neumático respecto a la fuerza lateral a la que es sometido.

El ángulo de caída, por tanto, tiene una enorme influencia sobre la adherencia máxima que puede aportar el neumático. E influye de distinto modo en los valores de adherencia máxima lateral y longitudinal que puede ofrecer un neumático. La continuación mostrada es la curva de variación de adherencia longitudinal y lateral al cambiar la caída de un neumático trasero típico de F1.

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curva de variación de adherencia longitudinal y lateral al cambiar la caída de un neumático trasero típico de F1.

Las curvas de variación de adherencia con caída para cualquier neumático son siempre cualitativamente similares. A simple vista podemos apreciar que:

- la máxima adherencia longitudinal se consigue con caídas cercanas a 0º. A medida que nos alejamos de ese punto de caída nula (sea a positivo o a negativo) la adherencia longitudinal disminuye. Esta disminución suele ser tanto mayor cuanto más ancho es el neumático.- la máxima adherencia lateral aumenta a medida que tendemos a caídas negativas (respecto a la fuerza lateral aplicada ¡ojo!) y disminuye rápidamente al tender a caídas positivas. El máximo suele conseguirse con mayores ángulos de caída cuanto más estrecho es el neumático.- las variaciones de la adherencia máxima debidos a la variación de caída son elevadísimas. La diferencia de adherencia longitudinal y lateral de un neumático a -3 o -3.5º es de más de un 4% (¡!) y recordad la influencia que esta variación tiene en los tiempos.

Un F1 gira a derechas e izquierdas, frena y acelera, a muy diferentes velocidades, por lo que las caídas utilizadas no suelen ser extremas, si no que se buscan valores intermedios de compromiso en los que se intenta ganar la máxima adherencia lateral sin sacrificar en exceso la adherencia longitudinal. Tras todo lo expuesto además el lector podrá adivinar porque las caídas delanteras suelen ser mayores que las traseras.

En otras competiciones, por ejemplo en circuitos ovales, se suelen utilizar configuraciones muy asimétricas de caída en busca de la mayor adherencia lateral posible. Así por ejemplo en la NASCAR:

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Tipos de caídas empleados en la NASCAR

Se suelen utilizar configuraciones de este tipo (con caídas negativas respecto a la fuerza centrífuga en las dos ruedas del mismo eje, en la imagen se puede ver la definición clásica de caídas) que maximizan la adherencia lateral (sacrificando además la longitudinal, poco necesaria en un oval) aportada por ambos neumáticos en un giro a izquierdas. Obviamente esta configuración sería nefasta para un giro a derechas, con los dos neumáticos con caída positiva y por lo tanto con una importante falta de agarre lateral.