En este post dentro de la sección pupitre vamos a repasar los conceptos básicos de fuerza y par. Puede que, como lector, te surjan dudas respecto a esta sección, del tipo:
- ¿Para qué sirve esto?: El objetivo es ir entendiendo pequeñas cosas simples con las que se puedan responder preguntas más complejas en el futuro.
- ¿Pero esto no es un blog sobre coches eléctricos, híbridos, de combustibles alternativos y tecnología aplicada al automóvil?: Sí, pero para resolver muchas de las dudas que pueden surgir es muy interesante comprender algunos conceptos básicos.
- ¿Me voy a aburrir?: Espero que no pero, si en algún momento pasa, mi consejo es que lo dejes y lo intentes en otro momento o cuando se haga referencia a este post en algún otro que se base en él.
- ¿Hay prerrequisitos?, es decir, ¿tengo que saber integrar, haber estado en Sacedón o haber conocido a Pocholo en Ibiza?: No, en ningún caso, aunque si cumples todas o alguna de ellas tampoco pasa nada.
- ¿Falta mucho para el post de verdad o vas a seguir con chorradas?: Ahora mismo empezamos.
Que la fuerza te acompañe
Tenemos que remontarnos 200 años antes de que el señor Karl Benz crease el primer automóvil, concretamente a 1687. En esa fecha, Sir Isaac Newton sentó las bases de la mecánica clásica y, en particular, enunció una trilogía de leyes que todavía resultan perfectamente aplicables al automóvil, y así lo serán hasta que se muevan en velocidades cercanas a la de la luz. En ese caso tendríamos que buscar respuestas en la mecánica relativista, pero debemos tener en cuenta que los vehículos más rápidos de producción en serie rondan los 430 [km/h] y, por tanto, se encuentran suficientemente lejos de los 300.000 [km/s]. Por si las moscas.
Una fuerza se define como la “Causa capaz de modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo o de deformarlo”[1].
Las 3 leyes de Newton son tan simples como ciertas:
- Ley de la inercia: Afirma que todo cuerpo en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme tiende a seguir en ese estado excepto si una fuerza actúa sobre él. Un vehículo a una velocidad constante o en reposo, seguirá en ese estado mientras no se le aplique una fuerza [2]. En un caso real, hay fuerzas que actúan continuamente sobre el vehículo en movimiento, como se verá en el punto siguiente.
- Ley de la fuerza: Cuando se aplica una fuerza se cambia la magnitud del movimiento de forma proporcional a ella y en la misma línea en la que es aplicada. La velocidad v0 aumentará en el caso de experimentar una fuerza en el mismo sentido y disminuirá si la fuerza es en sentido contrario. En ambos casos la fuerza genera una aceleración sobre el vehículo según F=m·a y es dicha aceleración la que provoca el cambio en la velocidad. En un vehículo real sobre una superficie plana, la fuerza que aumenta la velocidad viene dada por el motor y la que la disminuye la aportan de forma combinada el sistema de frenado, la resistencia aerodinámica, la de rodadura y el freno motor (causado por el trabajo de bombeo de aire a los cilindros, las pérdidas mecánicas, el consumo de elementos accesorios como alternador, bomba de agua…). Estas acciones en contra del movimiento se comportan de distinto modo en función de parámetros como velocidad, régimen de giro del motor, tipo de pavimento, presión de los neumáticos…
- Ley de acción-reacción: Con cada acción se produce siempre otra igual y en sentido contrario. En el caso de un choque perfectamente elástico se hace patente el efecto de acción-reacción. Las magnitudes que actúan sobre cada coche se representan en su color. El coche amarillo, con velocidad v0, alcanza al verde que se encuentra en reposo. En el choque el vehículo amarillo le cede su energía cinética al verde como una fuerza F y éste produce una reacción sobre el amarillo de la misma magnitud. El resultado final del alcance es que el vehículo amarillo termina en reposo y el verde avanza con velocidad v0. En una situación real el comportamiento no sería perfectamente elástico pero es una forma de ilustrar la tercera ley.
Dame un momento
Un caso particular de las fuerzas sobre el automóvil es la aplicación de dos de ellas paralelas y de sentido opuesto separadas una determinada distancia. En ese caso se produce un momento o par sobre un punto equidistante de ambas fuerzas.
En la figura anterior se produce un momento M=F·d, siendo sus unidades las correspondientes a una fuerza por una distancia, habitualmente [N·m], [kg·m] o [lbf·ft] (sistema Imperial). En el caso de [kg·m], la primera de las unidades son realmente kilopondios, es decir, el peso de un kilogramo bajo la aceleración de la gravedad, lo que equivale a 9’8 [N] aproximadamente. Análogamente, la libra fuerza [lbf] es el peso de una libra. En cualquiera de sus unidades resulta un dato muy útil para motores o elementos de transmisión, ya que permite evaluar la fuerza transmitida mediante giro.
En un sistema real el giro viene determinado por una fuerza respecto al centro de giro.
En la imagen anterior [3] se puede observar una rueda en aceleración. En ese caso la rueda está transmitiendo una fuerza de rozamiento al suelo F. Por acción-reacción el suelo ejerce una fuerza igual y de sentido contrario que se traslada al centro de giro de la rueda, y es la que impulsa el vehículo.
El motor ejerce un par dependiente del régimen de giro y del grado de carga (relacionado con la posición del acelerador). Para un determinado par generado a unas rpm concretas en el motor, la transmisión permite variar el par en las ruedas a costa de variar la velocidad de giro. Si se reduce a una marcha menor se consigue un par mayor en las ruedas con una velocidad menor y, del mismo modo, si se cambia a una marcha superior se consigue mayor velocidad con menor par en las ruedas. En ambos casos el par ofrecido por el motor sería el mismo.
La fuerza ejercida por la rueda también se varía al modificar el desarrollo (resultado de “desarrollar” la circunferencia exterior de la rueda: desarrollo=2·pi·r, donde “r” es el radio exterior de la rueda), de forma que si éste aumenta, el radio es mayor y se produce menor fuerza para el mismo par, con una mayor velocidad para el mismo régimen de giro del motor en la misma marcha. Del mismo modo, al reducir el radio se aumenta la fuerza sobre el suelo y se reduce la velocidad. Todo ello varía de forma proporcional al desarrollo, que en España sólo se puede modificar un 3% por encima o por debajo de un valor homologado.
Por último, es interesante destacar que, para un mismo par motor, a un régimen de giro fijado y en una marcha concreta, la fuerza que impulsa el vehículo es constante, como también lo es el consumo instantáneo de combustible. Por la segunda ley de Newton (F=m·a), la aceleración se puede expresar como a=F/m, con lo cual será mayor con una masa menor. Esa es una de las ventajas de la reducción de peso en los vehículos, pero también ayuda significativamente al comportamiento dinámico, como se verá a continuación.
Nunca dejes de jugar
Ahora veamos cómo aplicar lo que sabemos sobre fuerzas al comportamiento del coche. Hay 3 puntos importantes relacionados con la dinámica del vehículo, especialmente en conducción deportiva: cuándo y cómo frenar, la elipse de adherencia del neumático y cómo jugar con el peso del coche. Si eres aficionado a los simuladores de conducción o has tenido la oportunidad de entrar con un coche en circuito sabrás que la forma en la que se gestiona el peso es importante (no sólo para la conducción deportiva), y que un mayor peso exige mayores fuerzas para conseguir las mismas aceleraciones.
El peso del coche se puede considerar concentrado en un único punto denominado “centro de gravedad” o “centro de masas”. Según la primera ley de Newton, este punto tiende a seguir en reposo o movimiento rectilíneo uniforme oponiéndose a las aceleraciones que se generan en los neumáticos, tanto longitudinales (aceleración o frenada) como transversales (giros). Esto provoca que el centro de masas se desplace hacia la zona delantera en frenadas, hacia la trasera en aceleraciones y hacia el exterior de la curva en giros (esta última tendencia genera una fuerza imaginaria conocida como fuerza centrífuga, a la que se opone la fuerza centrípeta ejercida por los neumáticos). Ante tales situaciones, los neumáticos sobre los que se desplaza el centro de masas soportan un mayor peso que el resto. En realidad el desplazamiento real del centro de masas es mínimo, y se debe únicamente a la contracción o extensión de los elementos de suspensión. Pero, unido a él, existe un desplazamiento ficticio, como se explica a continuación:
Con el vehículo en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme, el peso se reparte entre las ruedas según la distribución de pesos del vehículo, que condiciona la posición del centro de masas. En el caso del vehículo de la figura, con motor trasero, supongamos que se sitúa en el punto indicado con “m”. En azul se encuentran representadas las normales en las ruedas (reacciones al peso sobre la rueda).
En este caso veremos el ejemplo de una frenada. Cada rueda ejerce una fuerza de frenado representada en rojo.
Esas fuerzas se ejercen en la misma línea (que representa el suelo), y se pueden sumar para ver la acción total sobre el vehículo. Se comprueba que esa acción genera un par sobre el centro de masas que tiende a hundir la parte delantera y a levantar la trasera.
Es necesario, por último, que las normales sobre las ruedas equilibren esta situación y, para ello, la normal delantera aumenta considerablemente y la trasera se reduce.
Por otra parte, un neumático puede generar una fuerza máxima en su área de contacto que es el producto del coeficiente de rozamiento caucho-superficie y la fuerza normal sobre el mismo: Frmax=coef_roz·N. Esto implica que, a igualdad de coeficiente de rozamiento, un neumático tendrá más capacidad de transmitir esfuerzos cuanto más peso tenga sobre él.
Este “jueguecito” con las fuerzas implica que el eje trasero ganará adherencia al acelerar mientras que el delantero la pierde, y al frenar sucede lo contrario. En un giro, las ruedas exteriores tienen más adherencia y las interiores menos.
Quizás te preguntes por qué se dice que un vehículo más pesado es peor dinámicamente, si la adherencia mejora con el peso. Sin entrar en muchos detalles, digamos que la mejora de adherencia es menos beneficiosa que el aumento de las fuerzas con las que el centro de masas se “opone” a lo que queremos que el coche haga.
Bueno, si se me ha olvidado algo ya lo iré comentado sobre la marcha, pero con esto creo que es suficiente para entender lo básico de las fuerzas reales sobre los vehículos.
Un saludo.
Para saber más:
