La pregunta es sencilla: si la fuerza de rozamiento no depende del tamaño de las superficies que friccionan, sino sólo del material de que están hechas y de la fuerza que ejerce una contra la otra, ¿por qué los coches de Formula 1 tienen las ruedas tan anchas? Se supone que el objetivo es que las ruedas tengan el mayor rozamiento posible con el asfalto para que agarren y el coche no patine, ¿no?
Desarrollo un poco la pregunta y de dónde viene. Hoy me he acordado de que en algún momento de mi juventud mi profesor de física nos hizo una pregunta con la promesa de invitar a un café a quien supiera responder, pues él tenía una duda legítima y verdadera (al menos eso parecía).
La cosa va de lo siguiente: el rozamiento entre dos cuerpos se expresa por el coeficiente de rozamiento o fricción. Es un numerito que no tiene unidades, simplemente expresa en qué medida dos materiales tienden a "agarrarse" el uno al otro cuando se aplica una fuerza que los hace desplazarse mientras sus superficies se tocan. La fórmula del coeficiente de fricción es la siguiente: µ= Fr/N
Donde:
µ es el coeficiente de fricción, que no tiene unidades. Hay uno estático que expresa el rozamiento que sucede hasta que se inicia el movimiento, y otro dinámico una vez los dos cuerpos están moviéndose. Para el caso, nos quedamos sólo con el segundo, el dinámico.
Fr es la fuerza de rozamiento, expresada en newtons
N es la fuerza normal, expresada en newtons. Nota: esta es la fuerza que un cuerpo ejerce sobre otro en reposo. Por ejemplo, si hay un bloque de madera sobre el suelo, la fuerza normal sería simplemente el peso del bloque, que es una fuerza que se ejerce sobre el suelo.
Vamos, que en lenguaje vulgar, el rozamiento sólo depende de las características del material de las superficies que se rozan, y de la fuerza que ejerce una superficie sobre otra. De hecho, las leyes del rozamiento que fueron enunciadas por Guillaume Amontons y Charles Augustin de Coulomb establecen que:
- La fuerza de rozamiento entre dos cuerpos es proporcional a la fuerza normal que ejerce un cuerpo sobre el otro.
- La fuerza de rozamiento no depende del área de contacto de ambos cuerpos, sólo de la naturaleza de los materiales que los componen. Por ejemplo, el caucho sobre el cemento tiene un µ=0,8, mientras que el acero sobre el acero lo tiene de 0,57, y el teflón sobre el teflón de 0,04.
- La fuerza de rozamiento no depende de la velocidad con la que los cuerpos se mueven uno con respecto al otro.
- La fuerza de rozamiento tiene sentido opuesto al movimiento.
Establecidas estas premisas, el profesor preguntó: "Es conocido que una de las características deseables en un coche, y especialmente en los deportivos y coches de competición, es la tracción, es decir, que las ruedas no patinen, que se agarren bien al asfalto para que el coche pueda avanzar y aprovechar la fuerza del motor que se transmite a las ruedas. Los coches de competición, sobre todo los de Formula 1, tienen las ruedas especialmente anchas, de modo que la superficie que toca el suelo es más amplia que la de un coche normal.
Además, la fuerza ejercida por superficie es menor cuanto mayor sea dicha superficie. Es decir, para un coche con el mismo peso, una rueda más ancha ejerce menos fuerza en cada uno de sus puntos contra el suelo que una rueda más fina, lo cual podría ir en contra de lo que queremos, que es que el rozamiento sea mayor para que el neumático agarre. Por ejemplo los esquíes se usan para que la presión de nuestro cuerpo sobre la nieve se distribuya sobre la superficie del esquí, y así evitar que nos hundamos.
Entonces, ¿por qué los coches deportivos y de carreras tienen los neumáticos más anchos?"
La verdad es que en ese momento no se me ocurrió nada. Además la oferta del café tampoco parecía precisamente un premio como para volverse loco de alegría. Pero a lo largo de los años me he acordado de esa pregunta y he pensado en varias respuestas.
Por jugar un rato, si alguien se anima a dar su opinión, estupendo. Si no, pondré mis propias soluciones (bastante obvias). Un abrazo.
Comentarios
si la fuerza de rozamiento no depende de la superficie, ¿por qué cuando tengo las ruedas desinfladas de la bici me cuesta un cojón más moverme?
Antes de nada, gracias a #1 #5 #8 #9 #10 #18 #19 por entrar y comentar. El objetivo de este rollo que metí era pasar el rato y pensar un poco en una pregunta aparentemente chorra, pero que no lo es tanto.
Aquí va un resumen de lo expuesto:
1) Idealmente, la presión (peso) que ejercen las ruedas sobre el suelo sería el peso total del coche dividido entre 4. Esto no cambia, sea cual sea el ancho del neumático, y por lo tanto la fuerza de rozamiento sería la misma para cualquier tamaño de rueda, siempre que el material que la compone sea el mismo.
2) Como se ha dicho, la fuerza de rozamiento no depende del tamaño de la superficie, por lo tanto, tener ruedas con más superficie apoyada no ayuda al agarre, y por lo tanto, es irrelevante para que el coche tenga tracción (no patinen las ruedas al acelerar).
3) Es más, al tener una superficie mayor, los neumáticos de Formula 1 ejercen sobre el suelo menos presión por cm2 que una rueda más estrecha. Es análogo a pisar en la nieve con zapatos (que te hundes) o con esquíes (que te mantienen sobre la nieve porque ejercen menos presión por unidad de superficie). Esto podría parecer un punto en contra el uso de neumáticos anchos.
4) Pero OJO, como hemos hablado en 2), lo que importa no es la presión por cm2, sino en cada rueda de manera total. Entonces, estamos como al principio, ¿no?
Y aquí mis conclusiones (que no tienen por qué ser válidas):
1) La pregunta del profesor obviaba otros aspectos importantes de la física del neumático. El ancho no tiene que ver con el rozamiento en condiciones ideales. Pero la superficie del asfalto es irregular, y además en las pistas de competición están los llamados "pianos" o "curbs" que suponen una irregularidad muy notable. En estos casos, tener más superficie de rueda es beneficioso porque tenemos más probabilidades de que la goma se apoye en algún sitio. Un ejemplo exagerado sería un agujero en el asfalto de 10cm de ancho. Para una rueda de bicicleta, supone un obstáculo importante. Para una rueda ancha, simplemente no afecta porque la superficie del neumático simplemente deja de tener contacto en una pequeña parte por un instante, pero el resto sigue bien apoyado.
2) En física básica se trabaja con condiciones ideales y teóricas, pero en este caso la superficie de la rueda no es ideal, sino que se trata de una superficie deformable. Así que se producen interacciones con el asfalto a nivel micro (y no tan micro) que no pueden estimarse con un cálculo general del rozamiento. De los infinitos puntos de la superficie del neumático, no todos están ejerciendo la misma presión sobre el suelo porque la deformación de la rueda provoca también tensiones o relajaciones en el material, así que se puede considerar que en lugar de una superficie, la rueda es un sistema de microsuperficies. Cuantas más microsuperficies tengamos, más probabilidades hay de que haya un número grande con la fricción necesaria. Esto es, creo, lo que mencionaban , #8 y #17. Y también va en relación a lo comentado por #10
3) Existe otro factor además del peso en el caso de los coches deportivos, y más en la Fórmula 1, y es la aerodinámica. El rozamiento en este caso no sólo depende del peso, sino de que las superficies aerodinámicas del coche empujan a éste hacia el suelo (al contrario que en un avión). Esta fuerza es enorme y debe ser repartida por la superficie de la rueda, o ésta acabaría hecha trizas en poco tiempo. Es tanta la fuerza ejercida por la acción del aire que de hecho cuando una superficie aerodinámica de un Fórmula 1 se rompe, el coche se vuelve casi inmanejable en las curvas por la falta de agarre. De nuevo, esta fuerza no debería tener afectación por la superficie del neumático, pero todos sabemos que en las curvas las ruedas de goma se deforman lateralmente, así que también necesitamos una superficie grande para que esa deformación sea poco notable. Es decir, queremos que el neumático se mantenga como un bloque cilíndrico en la medida de lo posible.
4) Las ruedas grandes suponen un peso extra muy considerable para un coche deportivo, lo que es perjudicial para la competición, pero por otro lado compensa que sean así para mejorar su resistencia y rebajar la deformación, lo que también apuntaba #8.
En definitiva: el ancho de los neumáticos no mejora el agarre en términos macro, pero sí a nivel más fino, posiblemente casi microscópico también. Y por otro lado la razón de que sean así de anchos alarga la durabilidad del material, ya que las zonas de fricción no siempre son las mismas por la deformación que sufren en curvas, frenadas y aceleraciones, y el degradado se reparte, lo que sería más difícil de conseguir con un neumático estrecho.
Gracias de nuevo, y perdonen si me he excedido con la verborrea.
#21 la mejora de agarre que comentas en 1 estaría incluida en el coeficiente de rozamiento no?
O sea el coeficiente del caucho vs asfalto puede ser 0.8 de forma genérica. Pero si el asfalto es especialmente rugoso será mayor. Y la temperatura del caucho también lo hará cambiar. En Fórmula 1 siempre se habla de los neumáticos fríos, y hay calentadores, etc. Pero de nuevo, eso afectará al coeficiente (que en lugar de 0.8 será 0.9 o lo que sea) pero no cambia el problema
#22 Sí, pero me refería al caso "macro" no de la rugosidad, sino de las irregularidades grandes que hacen perder el contacto entre las dos superficies, como pequeños baches, o en un caso más evidente, los pianos. Esto claro está que no tiene que ver con el problema, pero es una de las razones por las que las ruedas de los F1 son más anchas. No sólo hay que resolver el agarre, sino este problema.
#21 Estás ignorando toda la aerodinámica que en un F1 es algo fundamental.
#9 Correcto pero el ejemplo que ha puesto no es válido. Si hay cuatro personas empujando el barco, se está ejerciendo cuatro veces más fuerza que con una persona sola. En el caso de las ruedas, el peso, es decir, la fuerza ejercida sobre el suelo es siempre la misma, sean anchos o estrechos los neumáticos. Es más, a mayor superficie de neumático, menos fuerza por unidad de superficie, por lo tanto, habría incluso menos fricción por cada unidad de superficie.
#2 Gracias ^^
Respecto a la primera parte, sigo pensando que el aumento de superficie es también por lo que te comentaba de ganar potencial de aceleración (además del "agarre", que se consigue siendo liso), por eso es independiente del rozamiento (mismo peso [fuerza], mismos materiales [igual límite de coeficiente], pero mayor superficie de contacto [rodar sin deslizar]).
No puedes ganar rozamiento, el coeficiente de rozamiento siempre es el que es, por eso no tiene unidad, porque no depende de ningún valor, sino de la naturaleza de los materiales como bien indicas.
Creo que te puede interesar http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/solido/roz_rodadura/rozamiento.htm
#0 El ancho de rueda se compensa con la gran potencia del motor. Al final, se desprecia el rozamiento y prima el reparto de la fuerza motriz por cm2 de rueda, lo que aumenta su potencial de aceleración.
Sino recuerdo mal, otras ventajas adicionales de las ruedas más anchas de los F1 son evitar el momento de vuelco, dar cabida al pedazo de freno que lleva y ventilarlo.
#1 Sobre la primera respuesta, la pregunta del profesor iba en sentido contrario. De hecho lo que se quiere es que las ruedas tengan mucho rozamiento para que agarren, pero si la fuerza de rozamiento no depende de la superficie, parece contradictorio que se usen neumáticos anchos, con los que no se ganaría nada en cuanto a agarre. Es más, por lo que añadía de la mayor superficie, la fuerza ejercida por unidad de superficie de las ruedas al suelo disminuye también (se distribuye más el peso en cuatro superficies grandes que en cuatro pequeñas), así que es incluso contraproducente tener una superficie mayor, ¿no?
Pero voto a favor de su comentario sobre evitar el momento de vuelco. Ayuda considerablemente a la estabilidad ese ancho de neumáticos.
#2 es una rueda nos interesa que haga lo que mejor hace rodar no deslizar, y que no se destroce en el proceso. Repito es una rueda a la que el motor la trasmite un par enorme, tiene que ser capaz de agarrar el asfalto sin deslizar, a mayor superficie de contacto más se reparte y rueda sin deslizar.
Sin tener mucha idea, y usando la lógica y esta cabecita que Cthulhu me ha dado, creo que tiene que ver con la presión…
Pues yo tenía entendido que si afectaba al agarre, de hecho ponen límites a cuanto puedes desinflar las ruedas (aplastandolas contra el asfalto para aumentar la superficie de contacto)
Porque cuanta mas superficie, mejor para que el coche gire, si no, toca tocar rodilla como las motos.
no?
#0 más mosquea que alguien se pueda columpiar, sin empujarse contra el suelo, y aque las fuerzas internas no pueden afectar al movimiento
En una habitación donde se ha hecho el vacío, y con un columpio perfecto, ¿una persona vestida de astronauta se podría columpiar? (hay gravedad)
#5 En teoría si, hay un video de un astronauta que se quedó en un punto de una nave en la que por mucho que girase o se estirase no se movía.
El truco es aplicar la tercera ley de Newton, hacer una pelota con tu ropa, y "lanzarla" hacia adelante, tu te irás hacia atrás.
Así que en el columpio sería algo similar
#6 No sé si el ejemplo es válido, recuerda que hay gravedad.
Y una vez lanzada la ropa (y sobreviviendo al vacío, pero ese es otro tema), ¿cómo consigues más fuerza?
¿y cómo se consigue en la tierra normalmente? ¿Por el rozamiento de la gravedad o por las bisagras del columpio?
#7 En realidad en el columpio, creo yo, se produce un movimiento de acción y reacción al estirar y encoger las piernas. Al estirar las piernas el centro de gravedad del conjunto se desplaza, el columpio se mueve un poco, luego encogemos las piernas y de nuevo producimos un desplazamiento del centro de gravedad en sentido contrario. Coordinando estos movimientos en el momento preciso, el recorrido del columpio aumenta. Creo que el aire aquí no tiene ningún efecto apreciable, ¿no?
#12 y un astronauta en una cámara de vacío, podría columpiarse, si el columpio no tuviera rozamiento?
#15 Yo creo que sí, lo que hace que el columpio se mueva es el desplazamiento del centro de gravedad que producimos al estirar y doblar las piernas.
Inventando un poco. Mejora agarre transversal en las curvas e imperfecciones en la superficie por cm²
En una rueda fina, una piedrecilla es toda la superficie de contacto. También mejora mucho el centro de gravedad del vehículo.
#17 Mi idea también va por aquí. En cuanto tenga un rato escribo mis conclusiones (que no tienen por qué ser las buenas). Me temo que no habrá final feliz.
#0, solo tengo nociones de física, lo estudiado en el instituto. Obviamente lo de que la superficie no importa en las ecuaciones es algo ideal. En la práctica sí que influye porque hay más cosas a tener en cuenta. ¿Cuáles?, esa es la pregunta. A mí se me ocurre un enfoque: el calor en los materiales. No sabré desarrollarlo bien, pero lo voy a intentar.
El coche debería acelerar igual con un neumático de 2cm de ancho, porque estaría más aplastado contra el asfalto (= más rozamiento/agarre). Pero en la práctica, en cuanto la rueda gira unas pocas veces, la goma de la superficie se sobrecalienta mucho. La goma pierde propiedades con la temperatura e incluso se rompería a los pocos cientos o miles de metros de carrera.
Es decir, creo que el quid es que tú estás hablando del rozamiento TOTAL, que no depende de la superficie. Pero sí es distinta la fuerza a la que se somete PARCIALMENTE cada centímetro cuadrado que roza. Necesitamos que el neumático sea ancho para repartir el rozamiento por mucho material. Y que el material gestione mejor esas tensiones. Aunque la multiplicación final te dé el mismo resultado, nosotros estamos mirando las mini-multiplicaciones que luego van a sumar el total.
La cosa va por parte de lo que dice #8 al final: cuando más ancho sea el neumático, estás aplicando la fuerza del eje (al acelerar) sobre más puntos del suelo.
Imagina un barco cerca del muelle. Si yo empujo el muelle con una mano para separarlo, lo haré con cierta efectividad e impulsaré el barco a cierta velocidad. Si somos cuatro empujando el barco en paralelo con la misma fuerza cada uno sobre la parte del muelle que tiene delante, conseguiremos que se separe más rápido.
En sentido inverso (frenada) debería suponer lo mismo.
#8 Me parece interesante el planteamiento, pero precisamente la premisa, y la pregunta de mi profesor, hablaban de que con un neumático de 2cm de ancho el rozamiento sería el mismo porque el coeficiente de rozamiento no cambia, y el peso tampoco. La superficie no tiene efecto en la fuerza de rozamiento. Es contrario a la intuición, pero es así.
Pero sí tiene mucho que ver, según mi punto de vista, lo que usted ha dicho de tener en cuenta los diferentes puntos de la rueda que están en contacto con el suelo. A ver si luego soy capaz de explicarlo.
Y otra cosa, ¿por qué a partir de cierta aceleración se pierde agarre y las ruedas derrapan? No creo que sea por deformación por calor, porque en el acero (ruedas de tren) también pasa.
#23 Buena pregunta. Es justamente el caso en que la fuerza aplicada supera a la fuerza de rozamiento. Lo ideal es que esto nunca ocurra, pero es casi imposible evitarlo con motores muy potentes que aplican grandes fuerzas. Si la fuerza aplicada no supera a la del rozamiento, simplemente ocurre que por acción y reacción lo que se mueve es el coche, dado que la rueda está "fijada" al suelo. En cuanto el coche se desplaza, la rueda lo hace con él, y la parte de superficie que estaba bloqueada con el suelo se libera, pero llega la siguiente zona de rueda/suelo que produce el mismo efecto. En resumen, una rueda funciona cuando hay rozamiento suficiente para contrarrestar la fuerza ejercida por el sistema motor
transmisióneje. Si la fuerza es mayor, la rueda patina. Por eso una rueda es inservible sobre el hielo.#25 entonces la respuesta tiene que ver con la dirección de las fuerzas. Porque cuando dejas de acelerar (no aplicas fuerza) el coche se va parando poco a poco por el rozamiento. Y en ese caso la fuerza que actúa es la gravedad, que empuja hacia abajo.
#25 Y por eso existen las ruedas de clavos.
Algo de esto hay, lo voy a poner en mi comentario con las ideas que se me han ido ocurriendo. Pero el hecho es que en la fórmula de rozamiento cinético la superficie no tiene ningún efecto.
#11 He dado "mi opinión" pero espero conclusiones con final feliz
Con un neumático fino, la dureza necesaria para evitar dañar las superficies no es compatible con la fricción esperada. (mejor una rueda de hierro que una de goma, pero la de goma, pese al desgaste funciona mejor) No puedes elegir la superficie/material del asfalto.