Tal y como os prometí, hoy vamos a tomar en consideración que ocurre cuando el punto de contacto de la rueda empieza a deslizarse sobre el pavimento. Hacer que ésto ocurra al arrancar quemando rueda puede parecer muy espectacular (aunque inútil), pero si pasa tomando una curva (derrape) puede ser muy peligroso.

Empecemos por recordar como visualizamos el origen de las fuerzas de fricción. Las superficies en contacto no son lisas, sino que presentan un perfil irregular, en forma de dientes de sierra. Si las superficies no deslizan, dichos dientes de sierra encajan muy bien y pueden oponerse al intento de deslizamiento. En cambio, si las superficies se encuentran deslizando, el encaje entre ambas superficies se ha roto, tan sólo rozan los picos de cada diente. En conclusión, la fricción dinámica (o cinética) suele ser mucho menor que la estática.

Esta reducción de la fuerza de fricción puede estar al rededor del 20%. Como hemos explicado en los artículos anteriores, la fuerza de fricción es básica para controlar el vehículo: tanto para hacerle ganar velocidad, como para frenarlo y hacerle tomar curvas. Si la fuerza se ve reducida, nuestro control sobre el vehículo es mucho peor, la distancia de frenado aumenta y no podemos dirigir el vehículo.

Por ejemplo, si en plena curva empiezan a deslizar las ruedas traseras (por ejemplo, debido a que hemos frenado demasiado y el peso se ha desplazado demasiado hacia las ruedas delanteras – en un futuro artículo explicaremos por qué sucede ésto -, reduciendo la fuerza de contacto entre las ruedas traseras y el piso. En este caso, la fuerza de fricción dinámica no será suficiente para mantener las ruedas traseras en el camino deseado, y éstas tenderán a seguir recto, desviándose al exterior de la curva. Es decir, el efecto de un derrape de las ruedas traseras es que el coche sobrevire.

Pero hay un efecto aún peor cuando las ruedas que deslizan son las directrices: la dirección de la fuerza de fricción dinámica no es la misma que tendría la fuerza estática si no hubiera deslizamiento. Recordemos que, en condiciones en que no hay deslizamiento, la fricción estática tiene la dirección (y magnitud) necesaria para evitar que la rueda empiece a deslizar. Como ya vimos, cambiando la orientación de las ruedas directrices nos podemos aprovechar de ésto para que le coche cambie de dirección.

Sin embargo, cuando las ruedas derrapan, la fuerza de fricción dinámica siempre se aplica en la dirección contraria al deslizamiento existente. Tenemos dos casos. El primero sucede cuando el deslizamiento se produce por que la rueda empieza a girar más rápido de lo que le toca (lo que ocurre en un derrape de las ruedas delanteras, o al salir quemando rueda). La dirección del deslizamiento en este caso se obtiene sumando la velocidad de rotación extra de la rueda, más la velocidad del vehículo. El resultado es que es necesario inclinar mucho más las ruedas para que la fuerza de fricción dinámica tome la dirección deseada. Éste es el fenómeno denominado subviraje.

El segundo caso ocurre debido a que la rueda gira más despacio de lo que sería deseable, como ocurre si el freno bloquea las ruedas, que pueden llegar a detenerse completamente. En este caso, independientemente de la inclinación de las ruedas, dado que éstas no giran, la goma siempre se desliza hacia adelante. Por lo que la fuerza de fricción siempre es hacia atrás, sin importar si el conductor gira el volante. Es decir, la dirección deja de funcionar completamente. En conclusión, a la hora de reducir la velocidad, es imprescindible que los frenos no bloqueen la rueda, reduciendo la fuerza de frenado. Este es el principio del ABS, cuyas siglas en inglés significan, precisamente, sistema anti-bloqueo.

Como conclusión final, vemos que es necesario mantener el rozamiento estático en todas las ruedas; evitar que estas deslicen sobre el pavimento. En curva, esto se consigue haciendo que todas ellas giren al rededor de un mismo punto fijo (el centro de la curva). Como las ruedas traseras no pueden cambiar su orientación, ésto significa que dicho centro siempre se encontrará en la prolongación del eje trasero. Una interesante consecuencia es que la inclinación de las dos ruedas delanteras debe ser diferente, dado que se encuentran a distancias diferentes del centro. En el diagrama anterior debería quedar más claro que mis explicaciones.

Vemos que, por lo tanto, la trayectoria de las cuatro ruedas es diferente. En el lado interior de la curva, la rueda trasera dibuja una trayectoria mucho más cerrada que la delantera. Es decir, que la delantera supere un obstáculo no te asegura que la trasera vaya también a pasar. Este es el motivo por el que vemos tantas rayadas contra columnas al aparcar de cara. Sin embargo, si vamos marcha atrás, si las ruedas traseras superan un obstáculo, seguro que las ruedas delanteras también lo harán. Gracias a esto, siempre se recomienda aparcar hacia atrás en batería.

A lo largo de estos cuatro artículos, hemos visto los fundamentos físicos por los que la rueda es considerada por mucha gente el invento más importante de la humanidad. No sé si lo será, pero lo que sí es el único sustento de nuestros vehículos, así como el elemento encargado de acelerar, frenar y dirigir nuestros vehículos. Para que todo esto funcione, es imprescindible que esté en perfectas condiciones de inflado, con el dibujo en buen estado y sin daños estructurales causados por golpes contra bordillos o baches. Si tus ruedas son felices, tu seguridad aumentará.

Fotos | stevelyon, Manel, Jaume López
En Circula seguro | La importancia del alineado de las ruedas

Cuando el conductor toma el volante entre sus manos, utiliza el sistema de la dirección para trazar el recorrido que debe seguir su vehículo. A la dirección se le atribuyen varias características: seguridad, suavidad, precisión e irreversibilidad. Si el sistema funciona adecuadamente, esas características ayudarán al conductor a orientar el vehículo según sus necesidades.

La seguridad del funcionamiento del sistema viene determinada por la fiabilidad de los mecanismos que lo componen. La suavidad, necesaria para conseguir cómodamente respuestas ágiles, viene dada por la facilidad de manejo que nos dé la propia dirección. La precisión necesaria para el buen trazado de las rutas designadas por el conductor tiene su base en la exactitud de los mecanismos que componen el sistema. Finalmente, la irreversibilidad consiste en la capacidad que debe tener la dirección de funcionar al margen de los factores externos que podrían repercutir sobre el volante, como un firme en mal estado.

Aunque es conveniente la revisión periódica de la dirección en un taller especializado, de cómo se emplee este sistema durante el día a día dependerá que conserve esas condiciones de buen funcionamiento, sin el cual no es posible garantizar la seguridad activa del vehículo.

Quizá sea bueno echarle un ojo por encima a la cantidad de medidas calculadas que se realizan para que la dirección funcione de forma correcta. Será una forma de hacernos una idea sobre lo preciso que es y debe ser este sistema.

Para que un vehículo recorra una curva es necesario que se cumpla una condición geométrica, conocida como principio de Ackerman y que viene a decir que cuando un vehículo gira los ejes de todas las ruedas deben concurrir en un mismo punto, que llamamos centro instantáneo de giro.

Tal como se aprecia en el dibujo de arriba, la rueda que queda en el interior de la curva se cierra más que la rueda que gira por el exterior. Dicho de otra forma, en una curva, cada una de las ruedas directrices se cierra de forma diferente. El ángulo que en una curva forma la rueda exterior con el eje trasero (rotulado como α) es menor que el ángulo que forma la rueda interior con el eje trasero (identificado como ß). Si esto no se respetara, las ruedas se arrastrarían transversalmente, y acabarían destrozándose. Para conseguir estos ángulos, se le da a una parte del eje de las ruedas directrices, las llamadas bieletas de mando, una cierta inclinación. Cuando el vehículo se encuentra en línea recta, la prolongación de esas bieletas llega hasta el centro del eje trasero del vehículo. Es lo que se denomina trapecio de Jeantaud, marcado en rosa en este otro dibujo.

Y para que todo el sistema funcione adecuadamente, cada una de las ruedas directrices debe seguir una serie de condiciones geométricas, que llamamos cotas de dirección y que veremos seguidamente de forma abreviada:

Ángulo de salida (kin-pin inclination)

Es el ángulo que forma la prolongación del eje del pivote, sobre el que gira la rueda para orientarse, con la prolongación del eje vertical que pasa por el centro de apoyo de la rueda. En el dibujo aparece identificado como α. Suele estar comprendido entre 5 y 10º, siendo lo habitual entre 6 y 7º. A la hora de girar las ruedas, es necesario vencer el par resistente que resulta de multiplicar R por C. Al inclinar el pivote, se consigue que la distancia C sea menor, por lo que se necesitará un esfuerzo también menor para conseguir el giro deseado. Vale la pena tener en cuenta que unos neumáticos mal inflados repercuten en la distancia C, con lo que el esfuerzo necesario para girar las ruedas puede verse incrementado.

Ángulo de caída (camber)

Es el ángulo que forma la prolongación del eje de simetría de la rueda con el vertical que pasa por el centro de apoyo de la rueda. En el dibujo aparece identificado como α. Este ángulo se consigue dando al eje de la mangueta una cierta inclinación con respecto al plano horizontal. Así se desplaza el peso del vehículo que gravita sobre este eje hacia el interior de la mangueta y se disminuye el empuje lateral de los cojinetes sobre los que se apoya la rueda. Suele estar comprendido entre treinta minutos y un grado.

Ángulo de inclinación

Es la suma de los ángulos de salida y caída, y determina la inclinación que toma la rueda sobre el terreno respecto de su parte superior. Un ángulo de inclinación adecuado redundará en un buen agarre del neumático sobre la calzada. Un ángulo excesivamente negativo o positivo dará pie a deformaciones del neumático, aumento de la temperatura interior y fatiga de los flancos, hasta llegar a la rotura de las bandas que componen la carcasa.

Ángulo de avance (caster)

Es el ángulo que forma la prolongación del pivote con el eje vertical que pasa por el centro de la rueda en el sentido de la marcha. La idea es que la prolongación del eje del pivote toque el suelo por delante del punto de contacto de la rueda con el terreno. De esta forma, aparece un efecto remolque en las ruedas, ya que las fuerzas que intervienen (marcadas en rojo en el dibujo) tiran desde puntos de aplicación diferentes cuando la rueda se encuentra en pleno giro. Esto ayuda a poner rectas las ruedas cuando acabamos de girar y cuando encontramos irregularidades en el terreno.

El ángulo de avance suele estar comprendido entre 0 y 4º para vehículos de tracción y de 6 a 12º para vehículos de propulsión para contrarrestar la inestabilidad que experimenta el eje delantero cuando es empujado desde el eje trasero del vehículo.

Convergencia y divergencia de las ruedas (toe-in, toe-out)

Al conjugar las diferentes cotas de la dirección, podemos encontrarnos con que las ruedas delanteras no son completamente paralelas, sino que convergen o divergen dependiendo de las necesidades dinámicas del vehículo en materia de suspensiones, fuerzas del motor sobre las ruedas y resistencia al avance.

Por poner un ejemplo, un turismo de propulsión, por efecto del empuje del eje trasero, tendrá tendencia a que sus ruedas delanteras diverjan. Por ese motivo, el fabricante buscará unos ángulos que lleven a las ruedas delanteras hacia la convergencia. La idea es que cuando el vehículo se mueva las ruedas vayan tan paralelas como sea posible para evitar la inestabilidad de la dirección y asegurar la estabilidad del vehículo. Una convergencia o divergencia excesiva se manifestaría por la propia ingobernabilidad del vehículo y por el desgaste irregular en las bandas de rodadura de los neumáticos.

El papel del conductor en todo esto

Pero, después de todo, ¿cuál es el papel activo del conductor en el mantenimiento de estas cotas? Parece claro que con unas dimensiones tan precisas, el mejor aliado de la dirección es el buen uso que se haga de las ruedas en el día a día. Bordillazos, resaltos tomados a gran velocidad y baches pasados como quien juega a un vídeojuego no harán más que echar por tierra todos los cálculos que haya realizado el fabricante del vehículo cuando dimensiona el sistema de la dirección.

Mantener una correcta presión de inflado también es de vital importancia. Cuando se establecen las cotas de la dirección se cuenta con unas ruedas que tienen unas dimensiones muy concretas. Y para que esas ruedas mantengan esas dimensiones sus neumáticos deben tener la presión necesaria; ni más, ni menos de lo que marca el fabricante para cada caso.

Y, por otra parte, nunca está de más llevar de vez en cuando nuestro vehículo al taller para que le repasen y le corrijan las cotas. Las alteraciones que sufre la dirección no siempre se notan de forma instantánea, sino que el conductor se va acostumbrando a la nueva situación que le ofrece su vehículo, por lo que una revisión periódica nunca está de más. De lo contrario, esas características de seguridad, suavidad, precisión e irreversibilidad que se atribuyen al sistema de la dirección pueden quedar en nada en el momento menos oportuno.

Datos (valores numéricos) | Mecánica Virtual
Foto: Flickr (Pedro), SCT, curvas rectas