La resistencia a la rodadura y la importancia de los neumáticos

La resistencia a la rodadura representa entre un 20% y un 30% de la energía destinada a mover las ruedas de un vehículo. Esta fuerza se opone al desplazamiento del automóvil y se origina por el fenómeno que ocurre en la zona de contacto del neumático con el asfalto. 

La resistencia a la rodadura representa la segunda fuerza más importante que se opone al movimiento de un vehículo después de la resistencia aerodinámica. No obstante, circulando a bajas velocidades la resistencia a la rodadura se convierte en la fuerza más importante, incluso por delante de la aerodinámica. Por consiguiente, representa para los ingenieros un potencial de mejora importante si el objetivo es reducir el consumo y las emisiones de escape del vehículo. 

Fuerza de resistencia a la rodadura

Se trata de una fuerza que se opone al movimiento de rodadura y es originada cuando el cuerpo que rueda sobre una superficie se deforma, o es la superficie la que se deforma, o pudiera ser que sean ambos a la vez los que se deforman. Esta deformación, aunque sólo sea ligera, es producto de las presiones existentes en los puntos de contacto entre el cuerpo rodante (la rueda) y la superficie de rodadura (el asfalto).

En el caso de la resistencia a la rodadura que se origina en el tren de rodaje de un vehículo hay que tener en cuenta dos orígenes distintos generados por este fenómeno:

• La resistencia a la rodadura originada por los rozamientos internos de los rodamientos de las ruedas.
• La resistencia a la rodadura originada por el contacto entre el neumático y la superficie de la calzada.

Las resistencias causadas por estos dos fenómenos descritos se suman para formar una fuerza única de resistencia en cada una de las ruedas. Sin embargo, la resistencia derivada del contacto entre el neumático y la calzada supone un porcentaje prácticamente totalitario comparado con la resistencia derivada de los rozamientos internos de los rodamientos. En una comparativa, la resistencia derivada de los rozamientos internos de un rodamiento correspondería al 2% ó al 3% de la resistencia total a la rodadura, mientras que la resistencia derivada del contacto entre el neumático y la carretera supone el resto, un 98% ó un 97%.

El neumático está formado por una estructura viscoelástica compuesta por diferentes capas de lonas elaboradas a base de cadenas de polímeros. Un neumático rodando que soporta el peso del vehículo provoca que estas cadenas se rocen, compriman y retuerzan entre sí absorbiendo parte de la energía del movimiento.

Estructura de un neumático

¿Por qué se origina una resistencia entre la rueda y la superficie de la calzada?

A priori, cuando una rueda comienza a rodar no se intuye ninguna fuerza que se oponga al movimiento, siendo su perfil exterior como el de una circunferencia, debería rodar por una superficie horizontal sin ningún impedimento. De hecho, las ruedas de un tren circulando en línea recta sobre raíles (acero contra acero) tienen una resistencia a la rodadura prácticamente nula. Lo mismo ocurre con las bolas de un rodamiento cuando éstas ruedan por el interior de sus pistas. 

Entonces, ¿qué es lo que ocurre cuando hacemos rodar a una rueda con neumático? En este caso, la resistencia a la rodadura es originada por la deformación que sufre el neumático en su superficie de contacto con la carretera. Ésta superficie de contacto es la zona del neumático que se "aplasta" debido al peso del vehículo y forma un pequeño plano paralelo al suelo y en contacto con éste. Éste fenómeno también es conocido como huella o parche de contacto del neumático.

El aplastamiento que sufre el neumático causa una deformación en su circunferencia, lo que repercute en una disminución de su radio efectivo. La continua deformación del neumático representa la permanente superación de un obstáculo y genera un par de giro contrario a la rotación de la rueda en la zona delantera de la huella de contacto, mientras que en la zona trasera de la huella se genera un par de giro a favor de la rotación de la rueda, por el efecto de recuperación del neumático. No obstante, el par que se genera en la zona delantera es de magnitud superior, porque corresponde a la fuerza necesaria para superar el obstáculo originado por la incesante deformación del neumático.

Así pues, el par neto resultante siempre se opone al giro de la rueda ya que la energía que absorbe el neumático es mayor de la que devuelve. Por esta causa ocurre el fenómeno de histéresis, que consiste en el calentamiento de los materiales que conforman el neumático al sufrir una deformación permanente. Este calentamiento es causado por el rozamiento interno que sufren las cadenas de polímeros al retorcerse y rozarse entre ellas cuando se deforma el neumático. Finalmente, la energía que absorbe el neumático al girar no solo es originada al vencer el obstáculo que provoca su deformación, si no también a la energía absorbida en forma de calor por los materiales que componen la goma del neumático cuando se deforma.

Atendiendo a la influencia que produce el pavimento de la carretera en la resistencia a la rodadura, no hay que pasar por alto que las irregularidades del asfalto (baches, ondulaciones, grietas, gravilla...) provocan en el neumático deformaciones adicionales que absorben más energía procedente de la empleada para mover el vehículo. Con lo que una carretera en mal estado por falta de mantenimiento afectará negativamente al consumo y a las emisiones del vehículo.

Para simplificar los efectos producidos en un objeto al rodar y con el objetivo de facilitar su estudio, la relación entre la superficie frontal de la huella de contacto (d) y el radio de la rueda (r) se hacen depender de una sola variable denominada coeficiente de rodadura (Cr).

Cr = d / r

Así pues, éste es el coeficiente más significativo a la hora de calcular la resistencia a la rodadura y su relación se puede expresar con la siguiente ecuación:

Fr = Cr x P

Fr = Fuerza de resistencia a la rodadura

P = Peso o carga que soporta la rueda

A su vez, las variables más importantes que intervienen a la hora de estudiar las características de las que depende el coeficiente de rodadura son:

• La rigidez de la rueda y su superficie.
• El radio de la rueda.
• El peso o carga al que está sometida la rueda.
• El acabado de las formas de las superficies en contacto.
• La viscosidad entre las superficies en contacto.
• La temperatura de los cuerpos en contacto.
• En el caso de las ruedas neumáticas, su presión (a mayor presión menor resistencia).

Para representar el resultado de estas ecuaciones en un caso real, en un automóvil que circule por asfalto y use neumáticos estándar, el coeficiente de rodadura equivale al 0,01 aproximadamente. Esto significa que su resistencia de rodadura será del orden del 0,1% de su peso. Es decir, que si el peso del vehículo es de 1200 kg su resistencia a la rodadura será de 118 N ó una fuerza equivalente al peso de 12 Kg en contra de su movimiento. Atendiendo a la ecuación dada, en el caso de que el automóvil pese la mitad, la fuerza de resistencia también sería la mitad, o sería del doble si el peso fuese el doble. De aquí se deduce la importancia que tiene reducir el peso del vehículo para ahorrar combustible y emisiones, ya que el peso es directamente proporcional a la resistencia de la rodadura.

Ahora, si se quiere cuantificar cuánta sería la potencia absorbida por el motor para vencer la resistencia a la rodadura del mismo vehículo (1200 Kg) a una velocidad de 100 km/h, esto correspondería a destinar 4,4 CV de potencia para vencerla. Con las últimas tecnologías de neumáticos de baja resistencia a la rodadura, que emplean una mayor cantidad de sílice en los flancos para reducir la deformación y con ello el fenómeno de histéresis, estas cifras serían algo menores. Mientras que con neumáticos de mala calidad o con una presión de inflado demasiado baja las cifras se incrementarían notoriamente.

Por ejemplo, un neumático de baja resistencia a la rodadura podría aportar una mejora en el coeficiente de rodadura de un 10%, lo que supondría una reducción de la resistencia también de un 10% y esto se traduce en un ahorro de un 2% en el consumo de combustible y en emisiones aproximadamente.

Determinadas condiciones producidas por el desgaste y la sobrepresión de los neumáticos pueden desencadenar las siguientes curiosidades:

- Los neumáticos nuevos presentan un ligero incremento del coeficiente de resistencia a la rodadura que los mismos neumáticos ya gastados. La razón de este aparente sinsentido es que al ir puliendo el dibujo la cantidad de material que participa en la histéresis se va reduciendo, con lo que la energía absorbida por el neumático es un poquito menor y la resistencia a la rodadura disminuye levemente en el neumático viejo.
- Los neumáticos con sobrepresión también reducen la deformación de su superficie de rodadura, por lo que también se atenúa el fenómeno de histéresis y, por consiguiente, disminuye la resistencia a la rodadura. Por otro lado, la huella de contacto se encoge (lo que pone en riesgo la adherencia y la seguridad del guiado del neumático).
En contra partida, en los dos casos descritos el índice de seguridad que se pierde es sumamente más importante que pretender mejorar inconscientemente las cifras de consumo del vehículo.

Para obtener una buena eficiencia de rodadura en un automóvil, sin poner en jaque la seguridad del mismo, el aspecto más importante a tener en cuenta es el mantenimiento de los neumáticos. Por ello, controlar su presión de inflado es crucial para evitar una mala adherencia y un maltrato de los mismos. A continuación se exponen los efectos resultantes de una presión inadecuada en los neumáticos:

• En el caso de existir sobrepresión se origina una falta de adherencia causada por una reducción de la huella de contacto del neumático, que apoya mayoritariamente por la zona interior de su banda de rodadura. Este efecto además provoca un desgaste irregular de los mismos erosionando con mayor rapidez su zona interior de contacto con la calzada.
• En el caso de existir una falta de presión, la fuerza de resistencia a la rodadura aumenta y, debido al fenómeno de histéresis, se produce un sobrecalentamiento de los neumáticos y un desgaste irregular por sus flancos. Este efecto maltrata el neumático llegando a provocar su destrucción por "reventón" en situaciones de máximo estrés, cuando se realizan trayectos largos con baja presión y la temperatura ambiente es alta. Además, circular bajo estas condiciones incrementa el consumo de combustible y emisiones notoriamente.

Efectos de una presión de inflado inadecuada en el desgaste de los neumáticos

Finalmente, recalcar que existe una clasificación donde se detallan diferentes parámetros que hacen referencia a las características más importantes de los neumáticos, entre ellas la eficiencia energética.

A partir del 1 de noviembre de 2012 entró en vigor el Reglamento de la Unión Europea 1222/2009 sobre el etiquetado de los neumáticos. Este etiquetado es un nuevo sistema regulador de clasificación de neumáticos, siendo aplicable a los neumáticos para vehículos de tipo 4x4, turismo, camioneta, camión y autobús. (Quedan exentos de la etiqueta estandarizada los neumáticos recauchutados, con clavos o los de competición, entre otros). La etiqueta tiene una apariencia similar a la utilizada actualmente en los electrodomésticos, de manera que aclara dicha información al cliente. La normativa permite evaluar tres parámetros fundamentales para ayudar al consumidor a reconocer y diferenciar la calidad de los neumáticos que se ofrecen en el mercado.

Los tres parámetros más importantes que se clasifican de los neumáticos son:

• El consumo de combustible y las emisiones que provocan
• La adherencia en superficie mojada
• El nivel de ruido

El consumo de combustible: también se le conoce como eficiencia energética o resistencia a la rodadura. A menor resistencia de rodadura, menor consumo de combustible y, por ende, mayor eficiencia energética. Para medir esta resistencia a la rodadura se realiza un test donde se monta el neumático sobre un rodillo. El test simula una conducción a 80 km/h con una carga equivalente al 80 % del índice de carga del neumático. Finalmente, la resistencia a la rodadura se mide en kilogramos por tonelada (kg/t).

Etiqueta de eficiencia energética de los neumáticos

Por último, véase el siguiente vídeo acerca de otro método para clasificar la eficiencia energética de los neumáticos en función de su resistencia a la rodadura:

Nota: Para más información acerca de los factores y sistemas de un vehículo que reducen en el consumo y las emisiones, consúltese los cursos de Anticontaminación gasolina y diésel del Campus On-Line en Grup Eina Digital.