Fonaments físics - Pneumàtics - Fregament i Adherència  

 

J.M.
 J.M.
(@superjosep)
Membre Moderator
Registrat : fa 9 mesos
Respostes: 22
26/08/2019 10:15 pm  

PNEUMÀTICS - Fregament i Adherència

Ja sigui conduint les nostres motos o un gran camió tràiler, ens cal una quantitat de fricció amb el terra per poder avançar. De fet tampoc podríem caminar sense la fricció dels nostres peus amb la superfície que trepitgem per poder disposar de la necessària “tracció” per moure’ns del lloc on som. Així doncs la tracció no és una força, sinó el resultat més o menys eficient de la fricció necessària, per que un objecte mòbil es desplaci amb respecte d’una superfície estàtica quan hi apliquem una força.

Per a la majoria de nosaltres la primera cosa que ens ve al cap quan parlem de Leonardo Da Vinci és el quadre de la Mona Lisa o el croquis de l’home de Vitruvi, però Leonardo va ser també responsable dels primers estudis sistemàtics sobre la fricció entre les superfícies dels cossos.

Leonardo antic

Croquis original de Leonardo Da Vinci dels seus estudis sobre la fricció entre els cossos.

L’estudi de la fricció entre els cossos forma part un camp de la ciència moderna denominada Tribología que es defineix com la ciència i la enginyeria de la interacció de les superfícies en moviment relatiu. La paraula “tribología” prové del Grec, de l’arrel “tribo” = fregar, i el sufix “logos” = coneixement de, i va ser encunyada fa més de 50 anys pel enginyer mecànic anglès Peter Jost.

Els principals mecanismes físics pels quals un pneumàtic proporciona la seva capacitat d’adherència al ferm i per tant la capacitat de proporcionar tracció per les nostres motos son dos la histèresi i l’adhesió o enganxament.
El mecanisme pel qual el pneumàtic desenvolupa la seva capacitat anti-lliscament i que diferencia al cautxú d’altres materials es denomina histèresi. El fenomen de la histèresi es present al cautxú degut al seu comportament viscoelàstic.

Adhesio Histeresi

L’adhesió i la histèresi degudes a les propietats viscoelàstiques del cautxú.

El lliscament d’una peça de cautxú sobre una superfície de contacte irregular com l’asfalt li provoca una deformació. Quan s’ha superat la irregularitat el cautxú tendeix a recuperar la seva forma original i el contacte amb la superfície, però degut a la histèresi, no ho fa de manera instantània.
Aquest desfasament entre la causa (pressió o tensió aplicada) i l’efecte (deformació) fa que el pneumàtic situat sobre l’asfalt “abraci” les deformacions del ferm de manera asimètrica, més accentuat per davant de la protuberància que pel darrera un cop superada en el sentit de la marxa. Això genera una distribució de pressions orientada en el sentit invers al del avanç que contribueix a la força de fricció total.

A aquest fenomen es deu que un pneumàtic “tou” tingui més adherència que un de “dur” i que la tracció mes bona s’obtingui quan el pneumàtic tingui una mica de lliscament amb el ferm (Entenem ara perquè a les sortides de les curses per millorar la tracció, els pilots fan lliscar les rodes a l’arrancada).
Sobre asfalt sec un pneumàtic de carretera sol tenir un coeficient de fregament d’aprox 0,8 – 1. Es a dir pot desenvolupar una força (lateral i longitudinal combinada) entre el 80% i el 100% del pes que suporta. Un pneumàtic de competició pot fàcilment duplicar aquest valors.

Però la histèresi viscoelàstica també té una conseqüència negativa i és la resistència al rodament que fa perdre una certa quantitat d’energia com veurem a la tercera part d'aquest post, dedicat al fenòmen de la histèresi.

Coeficients de fregament

Coeficients de fregament d’un pneumàtic sobre diferents superfícies.

Desconstruint la fricció.
Com veiem una de les principals causes de la particular fricció del cautxú és deu a la pròpia deformació del cautxú per la pressió contra les protuberàncies del asfalt al comprimir el pneumàtic contra els punts rugosos del paviment. Quan un pneumàtic es aixafat contra els grans durs de l’asfalt es produeixen ones internes de moviment que empenyent les molècules de cautxú dissipant energia a mida que el moviment es produeix. La quantitat d’energia dissipada (perduda) esta relacionada amb la textura de la carretera, per això els camins en mal estat produeixen en general una fricció superior que alenteix més la nostra marxa que en un ferm en bon estat.

En general la viscoelasticitat es l'única propietat que la indústria ha utilitzat tradicionalment per estimar la fricció del cautxú, però estudis més recents han demostrat que la correlació amb el comportament en el mon real no resulta satisfactòria si només tenim en compte aquest paràmetre. Això es perquè hi ha altres complicades contribucions a la fricció quan es produeix un moviment d’arrossegament del cautxú en paral·lel a la carretera (Quan apliquem força a la roda de la moto per avançar sobre l’asfalt). Aquest moviment d’arrossegament que s’anomena cisallament, pot crear més causes addicionals per la fricció, incloent adherències amb l’asfalt, esquerdes i altres formes de desgast que es propaguen per dins de l’estructura del cautxú, produïdes també pels materials de farciment de més densitat dins dels compostos del pneumàtic que rasquen la superfície del asfalt, els fluids (com el oli), i les partícules contaminants (com la brutícia o la pols), que tendeixen a omplir qualsevol buit existent creant una barrera entre el cautxú i l’asfalt.

Durant més de 20 anys el Dr. Bo Perrson, científic del centre d’investigació Jülich d’Alemanya, s’ha dedicat al estudi del fenomen de la fricció desenvolupant una sèrie d’equacions per descriure el comportament complexa de la fricció del cautxú a nivell molecular i fins i tot atòmic, tant pel que fa a la contribució de les seves propietats viscoelàstiques com per les conseqüències del efecte de cisallament, fent proves i observant el comportament d’un bloc de cautxú arrossegant-se sobre una superfície dura i rugosa.

Per sustentar la seva teoria, va ser important el desenvolupament d’un mètode d’observació per calcular l’àrea de contacte real entre el cautxú i la superfície de desplaçament, i encara que malgrat que als nostres ulls pugui semblar que el cautxú entra en contacte total amb una secció plana de la carretera, una visió augmentada a escala microscòpica i fins i tot nanoscòpica, revela cims rugosos i valls que separen els dos materials. Sorprèn descobrir que la zona de contacte efectiva és realment petita: del ordre de no més d’un centímetre quadrat per un joc sencer de pneumàtics de cotxe!  Després de fer les simulacions numèriques, el Dr Persson amb el seu equip varen poder comprovar les prediccions de la seva teoria tant pel que fa a l’àrea de contacte real i pel coeficient de fricció viscoelàstica, trobant que coincidien plenament amb les seves equacions.

Però la teoria del laboratori continuaria aguantant-se pel que fa al cisallament, quan els pneumàtics literalment toquen l’asfalt de la carretera?

This topic was modified fa 3 mesos 17 times by J.M.

Cita
J.M.
 J.M.
(@superjosep)
Membre Moderator
Registrat : fa 9 mesos
Respostes: 22
26/08/2019 10:37 pm  

Quan la goma toca a terra.

Els primers experiments simples de Leonardo han estat tinguts molt en compte pels investigadors moderns quan han volgut saber el que passa a nivell molecular amb el fregament entre els pneumàtics i l’asfalt i els resultats han estat sorprenents.

Sabem que la fricció és la força que frena els objectes quan es desplacen per una superfície, però malgrat la seva importància no es coneix encara exactament com funciona aquesta força a nivell dels àtoms i les molècules.

Un experiment antic per provar una nova teoria.
L’equip investigador va recrear un muntatge bàsic emprat originalment pel mateix Leonardo Da Vinci, per mesurar la fricció amb tres tipus de cautxú, arrastrats per sobre de tres tipus diferents de superfícies (dos tipus d’asfalt i una superfície de paper de vidre) i a diferents temperatures ambientals.

Leonardo modern

Reproducció moderna de l’experimentació de Leonardo Da Vinci

Es va escollir fer les proves a baixa velocitat – per sota de 1 mm/sec – per evitar l’escalfament provocat per la mateixa fricció que afectaria les propietats viscoelàstiques del cautxú i en conseqüència també als resultats.

L’equip va descobrir que la llei descriptiva de la fricció per estrès de cisallament incorporada en la teoria del Dr Persson era coincident amb les proves experimentals. Es revelava que la contribució del cisallament a la fricció del cautxú varia segons la temperatura i la velocitat però en una forma diferent que la contribució a la fricció de la viscoelasticitat. Un detall extremadament important doncs es confirmava que basar-se únicament en la viscoelasticitat per avaluar les propietats dels pneumàtics de cap manera era suficient.

Es va poder establir que la fricció deguda al cisallament es produeix per molècules de cautxú que s’enganxen al asfalt, estirant-se, desenganxant-se i després tornant-se a enganxar. Les dades recollides pels investigadors donen evidències sòlides que suporten plenament aquest model de fricció adhesiva perquè les propietats que depenen de la temperatura i la velocitat quadren amb la teoria, disminuint amb les baixes temperatures (quan els enllaços son  més lents per formar-se), i amb les velocitats elevades (quan el cautxú es mou massa depressa per donar l’oportunitat a les molècules d’enganxar-se).

molecules

Les cadenes de molècules de cautxú s’adhereixen al asfalt i desprès de deslliurar-se’n es tornen a adherir en un procés repetitiu.

L’equip investigador va precisar tanmateix que els resultats inicials obtinguts s’havien de limitar a les superfícies seques i netes. Sobre superfícies mullades quan una finíssima làmina d’aigua separa el cautxú de l’asfalt, les molècules no poden enganxar-se al ferm. En aquests casos la contribució de l'adherència molecular a la fricció del cautxú pot esser negligible, i tenint en compte tant sols la contribució del component de viscoelasticitat, ja obtenim una bona aproximació pel valor de la força total de fricció del pneumàtic sobre mullat.

This post was modified fa 3 mesos 10 times by J.M.

Respondre Cita
J.M.
 J.M.
(@superjosep)
Membre Moderator
Registrat : fa 9 mesos
Respostes: 22
01/09/2019 11:31 am  

Però què és la histèresi?

Segons la definició senzilla de la Viquipèdia, la histèresi és el resultat de la tendència d'un material a conservar una de les seves propietats en absència de l'estímul que l'ha generat. Per extensió s'aplica a fenòmens que no depenen només de les circumstàncies actuals, sinó també de com s'ha arribat a aquestes circumstàncies.

histeresi

Representació gràfica del fenòmen d’histèresi.

Podem trobar diferents manifestacions i aplicacions d'aquest fenomen en camps com la luminotècnia (les bombetes tarden més temps en apagar-se que en encendre’s), el magnetisme (que ens permet poder enregistrar dades en els nostres discs durs), etc.

La histèresi del cautxú
Hem vist que les propietats viscoelàstiques del cautxú responsables del efecte d’histèresi entre d’altres, ens  proporcionen la bona adherència al ferm, però una conseqüència negativa de la histèresi en els pneumàtics es la seva resistència al rodament.

Quan gira i trepitja el terra, successives seccions del pneumàtic son deformades de forma continua degut al l’esforç per fer avançar el pes que suporta, però no recupera la seva forma original de forma immediata, com a resultant de la pròpia viscoelasticitat del cautxú que comporta l’efecte de histèresi.

Aquest retard implica que una part important de l’energia emprada en la seva deformació no sigui recuperada quan torna a la seva forma original. Això es tradueix en una distribució desigual de pressions en la petjada, que és més intensa a la part del davant.

La distribució de pressions es pot resumir en una única força resultant, que als efectes del anàlisi dinàmic provoca el mateix efecte sobre tota la roda. Aquesta força té una direcció vertical i un punt d’aplicació lleugerament desplaçat per davant de l’eix vertical del pneumàtic.

Forces peumatics

Forces resultants de la viscoelasticitat dels pneumàtics.

Com qualsevol força que la seva direcció no passi pel centre de rotació d’un objecte, imprimirà a aquest objecte un moment de força angular o “parell de rotació”. En el cas dels pneumàtics, aquest parell s’oposa al seu gir o rodament en la direcció de la marxa, i haurà de ser vençut aplicant energia suplementària del motor, incrementant per tant el consum de combustible i reduint la velocitat teòrica màxima.

La resistència al rodament d’un pneumàtic augmenta amb la velocitat, però de manera moderada sempre que no se sobrepassi aquella per la qual ha estat dissenyat. Es pot quantificar entre el 1% i el 1,5% del pes que suporta. Veiem que a baixes velocitats – per exemple circulant per ciutat – el seu valor és netament superior a la resistència aerodinàmica del vehicle. En canvi, a velocitats superiors quan circulem per carretera, la resistència aerodinàmica representa el factor principal de resistència al avançament del vehicle doncs aquesta resistència aerodinàmica creix amb el quadrat de la velocitat.

La resistència al rodament d’un pneumàtic no és pròpiament una fricció. Una resistència per fricció tindria una direcció paral·lela a la superfície de contacte entre els dos cossos en fricció que en el nostre cas seria paral·lela al terra, i de fet no hi ha desplaçament entre el pneumàtic i el terra en el punt de contacte (excepte si fem lliscar els pneumàtics). Per contra el conjunt de forces responsable de la resistència a al rodament té una direcció normal (no-paral·lela) al asfalt.

Per tant, la histèresi té un efecte profitós d’adherència amb l’asfalt, però també un de negatiu que és la resistència al rodament. En els pneumàtics denominats “ecològics” s’inclouen compostos amb una histèresi limitada, això fa que efectivament la seva resistència al rodament sigui més petita, però pagant el preu d’una menor adherència al ferm.

This post was modified fa 3 mesos 8 times by J.M.
This post was modified fa 2 mesos 2 times by J.M.

Respondre Cita
Share:
X
  
Trabajando

Por favor Iniciar Sesión o Registre