En Naukas: las consecuencias de que los Formula1 no corran con las ruedas de los Picapiedra

A continuación os dejo mi última colaboración en Naukas. En él colaboraron varias personas, como @genfe, @shumyagain, @winfieldf1 y @white_f1, aunque no los haya puesto a todos en las fuentes. Muchas gracias a todos por los comentarios. Podéis ver el artículo original aquí:

La Fórmula1 ha pasado a ser una competición de gestionar neumáticos

Esta frase la dijo el dueño de Red Bull hace unos meses en tono crítico sobre la influencia que tiene este elemento del coche en los monoplazas. Sin embargo, cuando más ruido han hecho los medios de comunicación y los aficionados ha sido tras el GP de Silverstone, en el que hubo hasta 4 reventones de neumáticos en 4 equipos distintos.

En este artículo, vamos a dejar a un lado las polémicas y tratar de explicar por qué hubo este problema:

El neumático que estalló en los 4 casos fue el trasero izquierdo. La razón para ello es que en el circuito inglés es el que más sufre. Además, tal y como expliqué en este otro artículo de Naukas, los equipos corren con las ruedas hacia adentro, patizambos. Técnicamente a esto se le denomina camber negativo y suele requerir presiones de rueda un poco bajas. Esto provoca que el borde de la rueda sufra más que lo que debiera. El hecho de que tenga poca presión en los neumáticos y ese ángulo de caída permite que la superficie de contacto entre la goma y el asfalto sea grande, lo cual le aporta más tracción y más estabilidad en curva. Al tomar las curvas, las fuerzas laterales a las que se ve sometido el neumático le dan una ganancia de camber positiva, es decir, las ruedas se ponen un poco más rectas.

Además, en los últimos días hemos sabido que otra de las causas de los reventones ha sido que las escuderías cambian los neumáticos de lado. Es decir, el neumático derecho al principio desgasta su lado interior; si a continuación se cambia y se pone en el lado izquierdo, desgastará su otro lado interior. Es una técnica extendida entre todas las escuderías. Sin embargo, la estructura de las gomas Pirelli de este año es asimétrica. ¡Qué mala suerte! Los dos flancos de los neumáticos no tienen las mismas propiedades. En la siguiente foto se ve claramente por dónde se rompen:

Ante todo esto, la FIA ha decidido intervenir y en Nürburgring especificó las condiciones de ángulo y presión máximos y mínimos y la prohibición de cambiar los neumáticos de lado.

Al apoyar sobre el borde, el gradiente de temperatura que tenemos es éste (no es un Formula1, pero el principio se aplica). ¿Y cuál es la razón última para tener que calentar los neumáticos? La clave está en la adherencia. Los neumáticos tienen una ventana de valores en la cual funcionan bien, entre unos 80º y 100º (aquí @white_f1 me ha hecho una pequeña puntualización, y es que en el GP de Alemania de este fin de semana se ha visto que la temperatura ideal era entorno a 111ºC). Sin embargo, si la temperatura se queda por debajo, la adherencia es mala. Por encima, el neumático puede empezar a sufrir ampollas o blistering.

¿Qué cambios se van a aplicar a partir de ahora? Pirelli en Alemania llevó neumáticos con cinturón de kevlar, y a partir de Hungría, una nueva gama completa basándose en características de 2012 y 2013. El año pasado, la estructura era de kevlar, el cual es un material más ligero con un valor de calor específico mayor que el del acero. Hasta Silverstone, la estructura ha sido de acero. ¿Y eso que implica?

La energía que acumula una rueda sobre todo es su energía cinética, cuya fórmula es:

donde I es el momento de inercia y proporcional a la masa; w es la velocidad de giro. El nuevo neumático pesa unos 700gr menos, con lo que la energía que debido a la fricción se transformará en calor, ahora va a ser menor. Es decir, costará más calentar el neumático, algo que es de vital importancia en este deporte.

¿Pero por qué es necesario ese fenómeno que Lobato ha hecho famoso? ¿Por qué hay que calentar los neumáticos? Para conseguir grip, y el proceso de conseguirlo es uno de los fenómenos más complicados de predecir y modelar en el mundo del motorsport. El proceso de adherencia básicamente se compone de la superposición de un fenómeno físico y químico. Es en esta segunda parte en la que es de vital importancia tener una temperatura suficientemente alta.

De manera simplificada, la parte física es la que hace que el neumático se deforme y adapte a las irregularidades de la carretera, tal y como se ve en este vídeo con el ángulo de deriva, por ejemplo. Esta es la razón para zigzaguear tanto en la vuelta de formación. El neumático está compuesto por caucho (polímeros), y la viscoelastividad es algo intrínseco a las moléculas de alto peso molecular (polímeros). No podemos considerar el neumático un elemento perfectamente elástico, ya que según la teoría de la elasticidad, el neumático se deformaría y volvería a su estado original y temperatura original, pero no es el caso, ya que el neumático sí que se calienta. Si vemos un gráfico tensión-deformación de un material elástico frente a un viscoelástico, tendremos esto:

El valor del coeficiente de fricción depende de la temperatura y del comportamiento viscoelástico. A mayor velocidad, se genera más temperatura, pero como norma general, se puede decir que hay un valor máximo de coeficiente de fricción a una temperatura. A la adherencia que produce esta aportación del neumático se le denomina adhesión.

Entonces, una vez conseguido el calor, vamos con la química: tal y como hemos mencionado, la mayoría del neumático son cadenas de polímeros, concretamente cauchos. En las gomas conviven tanto el caucho natural como otros sintéticos, entre los que se encuentra el copolímero estireno-butadieno, polibutadieno, bromobutilo, silicatos y otras sustancias.

La goma en su estado y temperatura normal es muy blanda. Por ejemplo, en el caucho natural, la temperatura de transición vítrea es -5ºC. Por debajo de ella, el caucho se vuelve cada vez más quebradizo y frágil. Sin embargo, por encima de esa temperatura de referencia, el caucho tiene un comportamiento parecido al de la plastilina, tendiendo a viscoso cuanto más alta sea la temperatura ya que esta particular sustancia está formada por cadenas de polímeros a las que el calor dota de mucha movilidad. Por esa razón, en los neumáticos se añade sulfuro para unir esas cadenas de polímeros, reducir su movilidad y dotar al material de más consistencia. Este proceso con el sulfuro también se denomina vulcanizado.

Sin embargo, durante la carrera las ruedas reciben más calor mediante las frenadas y deformaciones del neumático. En ese momento, los monómeros tienen aún más movilidad y el material empieza a reorganizarse, pero esta nueva estructuración implica que el material se degrada. Este proceso de reconfiguración no es nada predecible ni fácil de hacerlo inteligente. De ahí que sea tan difícil calcular el desgaste de los neumáticos. Si el calor es demasiado, la degradación empezará a ser mecánica, en la que se desprenden trozos de material, las famosas virutas de goma.

Cuando el material empieza a calentarse sin excederse, el caucho se hace más blando y esponjoso, y es esta característica la que hace que se adapte mejor a las rugosidades de la carretera y dote al coche de más agarre. A este proceso se le conoce como indentación. Junto a la adhesión, conforman la adherencia total del zapato del coche.

Sin embargo, todo esto es variable en función de la temperatura variable de la pista, la goma depositada sobre ella, la temperatura ambiente, el desgaste de neumático, si hay un coche delante muy cerca o de si la pista está húmeda.

A continuación, pasaré a terminar las polémicas que surgieron hace unos 4 meses sobre los Pirelli, en el que la noticia más sonada era que el fabricante endurecerá sus neumáticos ante la presión de Red Bull, ya que parecía que el equipo austríaco destrozaba los neumáticos si eran muy blandos. Y la noticia realmente estaba mal contada: a la complejidad de los neumáticos de este año en cuanto a materiales, temperaturas, presiones y ángulos, hemos de añadir que tienen un perfil aerodinámico que afecta al flujo del aire, y tal y como explicaron en esta web. Este detalle sobre todo ha influido en que este año hace que llegue aire sucio al difusor. Es un efecto conocido como tyre-squirt. En otras palabras, algunos equipos cuya dependencia del difusor para crear carga aerodinámica era grande, se veían perjudicados.

Se pueden contar más cosas de este complejo mundo de gomas, como el proceso de abrasión, la influencia aerodinámica en estos elementos, el desgaste o las simulaciones en el túnel del viento, pero eso ya quedará para otra ocasión.

Fuente 1, 2, 3, 4 y @elbuhodelblog


ACTUALIZACIÓN (27 agosto 2013)
La fricción de los polímeros está fuertemente relacionado a su comportamiento viscoelástico. La fricción sube hasta un determinado valor máximo, seguido del descenso de ese coeficiente de fricción. Esto es debido a la elasticidad de las cadenas de polímeros.

El artículo de Grosch (1963) fue el primero que realizó un análisis de este fenómeno y afirmó que la fricción es un fenómeno derivado de la energía disipada por el neumático al eliminar sus pequeñas impurezas de la superficie. (Grosch indicated that friction is due to energy dissipated when rubber is compressed and released by asperities)

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