Suspenso en Física (3)

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El último día vimos que los sistemas elásticos, vulgo muelles, son ideales para mantener unido el eje de las ruedas al resto de la carrocería. Como la fuerza que ejercen es proporcional a su deformación, permiten que las pequeñas imperfecciones del pavimento apenas se transmitan al vehículo.

Sin embargo, por si solos tienen, los muelles un importante inconveniente. Cuando se comprimen, tienden a oscilar en vez de volver tranquilamente a su posición inicial. En este artículo, veremos como solucionar este problema, con lo cual tendremos ya prácticamente todos los principios Físicos que gobiernan el sistema de suspensión.

Primero, entendamos por qué los muelles presentan esa tendencia a oscilar. Hay varias formas de explicarlo, seguramente la más sencilla es a partir de la energía.

Cuando el movimiento del vehículo hace que nuestras ruedas alcancen un pequeño bache, parte de la energía cinética del mismo se invierte en comprimir el muelle de la suspensión. Que el vehículo pierde energía de esta forma es fácil de entender, los baches tienden a frenarnos. Pues esa energía va a parar, precisamente, al muelle.

El muelle, como buen sistema elástico, almacena la energía. El problema es precisamente ese, que almacena la energía, y la utiliza para continuar moviéndose, oscilando.

De hecho, el muelle utiliza la energía almacenada para ejercer la fuerza recuperadora necesaria para recuperar su forma inicial. Pero cuando recupera la forma inicial, el muelle se está moviendo. Y como no hay quien lo pare, sigue moviéndose.. y el resultado es que empieza a alargarse hacia el otro lado.

Entonces, aparece la fuerza recuperadora hacia el sentido contrario… y la historia se repite ciclicamente. En definitiva, el muelle oscila.

La solución, por lo tanto, es quitar la energía del muelle antes de que le dé tiempo de oscilar. La forma de quitar energía de algo que se mueve es aplicar una fuerza en el sentido contrario a su movimiento. Dicho de otra forma, frenarlo.

La fuerza de fricción tiene precisamente esa característica, siempre se dirige en la dirección opuesta al movimiento. Hay dos tipos de rozamiento: el que se produce entre dos sólidos y el que se produce entre un sólido y un fluido.

Sobre la fuerza de fricción entre sólidos ya hablamos extensamente cuando tratamos la Física de las ruedas. Pero para la suspensión no nos sirve, por dos motivos. En primer lugar, genera gran desgasto en las partes friccionantes (tendríamos que cambiar la suspensión mucho más frecuentemente que los frenos). En segundo lugar, es una fuerza constante, genera la misma respuesta tanto para oscilaciones pequeñas como grandes. Sería un sistema demasiado brusco.

En cambio, la resistencia entre un fluido (como gas o agua) y un sólido es proporcional a la velocidad. Cualquier motero podrá atestiguarlo. Además, es casi imposible romper un fluido. Justo las propiedades que necesitamos para la suspensión.

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En la práctica, lo que se suele hacer es colocar un cilindro con un pistón enganchado a uno de los extremos del muelle. Al moverse, el pistón tiene que vencer la resistencia del aire, lo cual hace que gaste mucha energía, frenando el movimiento del resorte. El resultado final es que la oscilación decae muy rápidamente. A esto se le llama amortiguación.

El grado de amortiguación de la suspensión debe ser regulado con mucha precisión. Si la fricción es pequeña, el muelle seguirá oscilando. Cada vez menos, pero llegará a producir unas cuantas oscilaciones. Tendremos un sistema infraamortiguado.

Se podría pensar que cuanto mayor sea la fricción, tanto mejor. Sin embargo, no es tan sencillo. Si el sistema está sobreamortiguado, al sufrir una deformación, la propia fricción impedirá al sistema volver a su punto de equilibrio rápidamente.

En definitiva, existe un valor óptimo para el coeficiente de fricción en que se obtiene la mejor amortiguación posible, en que el sistema vuelve al estado inicial en el menor tiempo posible tras cualquier deformación. Esta situación se llama amortiguación crítica. La suspensión se diseña para que esté siempre lo más cerca posible de esta situación.

Así pues, se consigue que el muelle absorba la energía que los baches roban al movimiento del vehículo, de forma que la perturbación no llegue a la cabina. La amortiguación se asegura que el muelle vuelva a su estado inicial en el menor tiempo posible, sin oscilar. En un mundo ideal, donde todo funcione a la perfección, la carrocería queda suspendida por encima de la carretera, sin notar sus imperfecciones.

Con el tiempo, el uso, la acumulación de baches, el sistema deja de ser óptimo. Los bordes del pistón se pueden degradar, disminuyendo el grado de amortiguación. Si no realizamos el mantenimiento adecuado de la suspensión, cambiando los amortiguadores cuando están deteriorados, el sistema deja de funcionar de forma óptima.

Si la suspensión es deficiente, los baches se transmiten a la cabina, y el movimiento oscilatorio de los muelles no se detiene a tiempo. Incluso pueden llegarse a acumular los efectos de diversos baches consecutivos, provocando que la oscilación aumente sin control, haciendo que las ruedas despeguen del suelo.

Con esto, ya hemos repasado los principios Físicos del sistema de suspensión. Para terminar esta serie, en el próximo artículo hablaremos del reparto del peso entre las cuatro ruedas, en diferentes situaciones. ¿Alguna vez os habéis preguntado por qué se levanta el morro al acelerar, o baja al frenar? Pues pronto sabrás la respuesta.

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Fotos | TEy, Km77, legovaughan