Todos hemos oído una y mil veces que la rueda representa el mayor invento de la humanidad. Desde tiempos inmemoriales, han facilitado el transporte de objetos y personas. Seguramente empezó en forma de troncos en el suelo sobre los que se hacían rodar los objetos a transportar. Carretones de mano, carruajes de tracción animal, bicicletas y finalmente automóviles. Salvo los basados en esquíes, es difícil imaginar un vehículo terrestre sin ruedas. En esta serie de artículos intentaremos explicar los fundamentos Físicos que explican por qué la rueda es un elemento tan importante.
El principal problema a solventar en el transporte es la fricción. Siempre que se produce en movimiento en un medio material (aire, sobre una superficie, etc.) aparecen fuerzas que se oponen a dicho movimiento. Dado que se opone al movimiento, estas fuerzas tienden a disminuir la energía cinética que con tanto esfuerzo hemos proporcionado a nuestro vehículo. Por ejemplo, una de las pérdidas más importantes de energía en nuestros coches es la fricción (viscosa) con el aire: para desplazarse en el si de nuestra atmósfera, el vehículo tiene que invertir parte de su energía en apartar al aire.
Si intentamos desplazar una masa sólida arrastrándola sobre una superficie aparece la fricción por deslizamiento. Microscópicamente, ninguna superficie es completamente lisa. De hecho, se parece más al perfil de una sierra, donde la altura de los dientes es tan pequeña que no podemos verla con nuestros ojos. Si sobre esta superficie dejamos descansar un objeto, los «dientes de sierra» de ambas superficies en contacto tenderán a encajar. Si ahora queremos desplazar el objeto a lo largo de la superficie, dicho encaje opondrá una cierta resistencia al movimiento. Este es el origen de la fricción por deslizamiento.
Como dijimos en La energía en la automoción (1), una fuerza que se aplica a lo largo de una trayectoria provoca la transmisión de energía en forma de trabajo, y el valor de la energía utilizada en este caso será igual a la multiplicación de dicha fuerza por la distancia recorrida por las superficies en contacto. Por lo tanto, si nuestros vehículos no tuvieran ruedas, tendrían que vencer constantemente la fricción con el suelo, y esto provocaría una constante pérdida de energía. Esto significa que el transporte mediante deslizamiento es únicamente viable en condiciones en que la fricción es muy pequeña, por ejemplo, sobre hielo o nieve, y por eso es tan divertido esquiar.
Pero reducir el rozamiento no es un método viable en todas las carreteras. Así que para disminuir la energía perdida por fricción, debemos reducir el otro factor: la distancia recorrida por las superficies en contacto. De hecho, lo ideal es que el punto de contacto no se mueva en absoluto, que no deslice. Si el conjunto del vehículo debe moverse, pero el punto de contacto no, esto significa que el punto de contacto debe ir cambiando a lo largo del movimiento. Esto es precisamente lo que hace una rueda.
Sólo el extremo inferior de cada rueda toca el suelo. Al girar, este punto de contacto va cambiando, pero lo hace de forma que la goma no intenta arrastrarse por el suelo. Es muy sencillo comprobar que en efecto es así. Probar a manchar un punto de la banda de rodadura con algo que deje marca (agua, tinta, puntura) y hacerla rodar unos metros. Lógicamente, sólo dejará marca en el suelo cuando dicha mancha entre en contacto. Si el punto de contacto se desplazara, la marca en el suelo sería alargada. Pero comprobaremos que no es así, demostrando que el punto de contacto no se desliza sobre el suelo.
En conclusión, como la fuerza de fricción se aplica sobre un punto que no se mueve, la energía disipada en forma de trabajo es cero. Si la rueda fuera perfecta (es decir, que no se deformara), eliminaría por completo la pérdida de energía por la fricción con el suelo. Por desgracia, existen otras fricciones que no se pueden solventar de esta forma, por ejemplo la fricción interna del motor (que se intenta reducir utilizando lubricantes) y la fricción con el aire (que se reduce diseñando vehículos aerodinámicos).
De hecho, las ruedas no únicamente evitan que la fricción disminuya la energía del vehículo, sino que se aprovechan de ella para acelerarlo y frenarlo en función de las necesidades del conductor. Hablaremos en detalle de esto en el próximo articulo de esta serie.
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