INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL · 2017. 12. 16. · 2 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARIA...
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LOPÉZ MATEOS SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN. “ESTUDIO DEL COEFICIENTE DE FRICCION EN ASFALTO CON PRESENCIA DE HIELO Y ARENA EMPLEANDO EL PÉNDULO DESLIZANTE” TESIS PARA OBTENER EL GRADO DE: MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA MECÁNICA Presenta: Ing. Abel Hurtado Mayen Directores: Dr. Ezequiel Alberto Gallardo Hernández Dra. Marisa Moreno Ríos 31/05/2017.
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LOPÉZ MATEOS
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN.
“ESTUDIO DEL COEFICIENTE DE FRICCION EN ASFALTO CON PRESENCIA DE HIELO Y ARENA EMPLEANDO EL PÉNDULO
DESLIZANTE”
TESIS
PARA OBTENER EL GRADO DE:
MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA MECÁNICA
Presenta:
Ing. Abel Hurtado Mayen
Directores:
Dr. Ezequiel Alberto Gallardo Hernández Dra. Marisa Moreno Ríos
31/05/2017.
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
SECRETARIA DE INVESTIGACIÓN Y POSGRADO.
CARTA DE CESIÓN DE DERECHOS.
En la ciudad de México, el día 31 del mes de Mayo del año 2017, el que suscribe
Abel Hurtado Mayen, alumno del Programa de Maestría en Ciencias en Ingeniería
Mecánica, con número de registro B151069, adscrito a la Sección de Estudios de
Posgrado en Investigación de la ESIME-Zacatenco manifiesta que es el autor
intelectual del presente trabajo bajo la dirección del Doctor Ezequiel Alberto
Gallardo Hernández y la Doctora Marisa Moreno Ríos, cede los derechos del
trabajo titulado “ESTUDIO DEL COEFICIENTE DE FRICCIÓN EN ASFALTO CON
PRESENCIA DE HIELO Y ARENA EMPLEANDO EL PÉNDULO DESLIZANTE”, al
Instituto Politécnico Nacional para difusión, con fines académicos y de
investigación.
Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, gráficas o
datos del trabajo sin el permiso expreso del autor y/o director del trabajo. Este
puede ser obtenido escribiendo a las siguientes direcciones
[email protected] y [email protected]. Si el permiso se otorga,
el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente y citar la fuente del
mismo.
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RESUMEN.
En este trabajo se presenta la Metodología experimental desarrollada y los
resultados obtenidos mediante el quipo tipo péndulo para evaluar el coeficiente de
fricción (CoF.) en una probeta de pavimento en presencia de hielo, así como
también del uso de modificadores de fricción dispersados en la superficie del hielo.
Para las condiciones de las pruebas en hielo limpio se tomaron en cuenta
temperaturas bajas registradas en México tratando de replicar la capa de hielo
sobre la probeta de asfalto y a cuatro diferentes temperaturas. Las pruebas fueron
realizadas en laboratorio a temperatura y humedad del ambiente.
Por último para las pruebas con modificadores de fricción se tomó en cuenta las
condiciones de prueba de las iniciales, sin embargo para estas pruebas se
utilizaron dos diferentes tamaños de grano de arena.
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ABSTRACT.
In this paper we present the developed experimental methodology and the results
obtained by the pendulum skid resistance to evaluate the coefficient of friction
(CoF) in asphalt specimen in the presence of ice, as well as the use of friction
modifiers dispersed in the Ice surface.
For the conditions of the tests in clean ice were taken into account low
temperatures recorded in Mexico trying to replicate the ice sheet on the asphalt
specimen and at four different temperatures. The tests were performed in
laboratory at room temperature and humidity.
Finally for the tests with friction modifiers the test conditions of the initials were
taken into account however for these tests two different sizes of sand grain were
used.
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AGRADECIMIENTOS.
Este trabajo es resultado del apoyo de las siguientes personas e instituciones.
Responsables del grupo de tribología:
Dr. Eezequiel Alberto Gallardo Hernandez.
Dr. Manuel Vite Torres.
A la Dra. Marisa Moreno Ríos.
Compañeros que conforman parte del grupo de Tribología
INSTITUTO POLITÉCNCO NACIONAL.
Profesores , personal administrativo, tecnicos de:
SEPI-ESIME-Zacatenco
Instituto de Física, UNAM.
Universidad Politécnica de Pachuca
CONACYT por el apoyo económico.
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TABLA DE CONTENIDO.
INDICE DE FIGURAS. ........................................................................................... 9
OBJETIVO GENERAL. ........................................................................................ 11
OBJETIVOS PARTICULARES. ............................................................................ 11
JUSTIFICACION. ................................................................................................. 12
INTRODUCCION. ................................................................................................ 13
CAPITULO1. Planteamiento del problema. .......................................................... 14
CAPITULO 2. Marco Teórico. .............................................................................. 16
2.1 Contacto mecánico entre neumático y pista solida rígida. ........................... 17
2.2 Resistencia al deslizamiento. ...................................................................... 17
2.2. Coeficiente de Fricción............................................................................... 18
2.3.1. Tipos de coeficiente de fricción. .............................................................. 19
2.3.1.1 Coeficiente de Friccion Transversal.. .................................................... 19
2.3.1.2 Coeficiente de Fricción Longitudinal. ..................................................... 20
2.4 . Componentes del Coeficiente de Friccion. ............................................ 20
2.4.1. Adhesión. ................................................................................................ 20
2.4.2. Deformación o Histéresis. ....................................................................... 21
2.5. Factores que Afectan el Valor del Coeficiente de Fricción. ........................ 22
2.5.1. Adherencia del Pavimento. ..................................................................... 22
2.5.2. Presencia de Agua en la Superficie. ....................................................... 22
2.5.3. Naturaleza del agregado que constituye la naturaleza de la calzada. ..... 23
2.5.4. Naturaleza del ligante utilizado. (Cemento, asfalto). ............................... 23
2.5.5. Estacionalidad......................................................................................... 23
2.5.6. Presión de inflado de los neumáticos. ..................................................... 24
2.5.7. Velocidad del vehículo. ........................................................................... 24
2.5.8. Importancia del tráfico. ............................................................................ 24
2.6 Revisión de trabajos de friccion sobre hielo. .................................................. 25
2.6.1 Evaluación de mecanismos de fricción y tasas de desgaste en neumáticos
de goma en laboratorio. .................................................................................... 25
2.6.2 Desarrollo de pruebas y medición de fricción de neumáticos en asfalto con
hielo. ................................................................................................................. 26
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2.6.3 Comparación entre la fricción del caucho-hielo y arena-hielo con el efecto
de contaminación de nieve suelta. .................................................................... 28
2.6.4 Investigación experimental del comportamiento de los neumáticos en el
hielo. ................................................................................................................. 29
2.6.5 Medición de la fricción de Neumáticos con clavo sobre hielo en
condiciones de laboratorio. ............................................................................... 32
2.6.6 Estudio preliminar de arena fina sobre la fricción del hielo lijado. ............. 33
2.6.7 Métodos para medir fricción en campo. ................................................... 34
CAPITULO 3. Metodología Experimental. ........................................................... 36
3.1. Aparato de prueba. .................................................................................... 36
3.2. Probeta de Asfalto. .................................................................................... 36
3.2.1 Medición de la rugosidad de la probeta de asfalto. .................................. 36
3.3Análisis de arena silica................................................................................. 38
3.4. Análisis de Deslizadores de Goma............................................................. 39
3.4.1. Peso del Deslizador. ............................................................................... 39
3.4.2. Medición de Dureza del Deslizador. ........................................................ 39
3.5. Condiciones de la Prueba. ......................................................................... 40
3.6. Procedimiento de la Prueba. ...................................................................... 41
CAPITULO 4. Resultados. ................................................................................... 44
4.1 Resultados del Coeficiente de Fricción. ...................................................... 44
4.2. Resultados de Mecanismos de interacción. ............................................... 45
CAPTIULO 5. Análisis y discusión. ...................................................................... 47
5.1. Pruebas en hielo limpio. ............................................................................. 47
5.2. Pruebas con partículas de arena. .............................................................. 48
5.2.1. Pruebas con arena de 176μm. ................................................................ 48
5.2.2. Pruebas con arena de 1000μm. .............................................................. 49
5.3 Mecanismo de Rayado en el deslizador de Goma. ..................................... 51
Conclusiones. ...................................................................................................... 52
Trabajos futuros. .................................................................................................. 53
Referencia. .......................................................................................................... 54
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ÍNDICE DE TABLAS.
Tabla 1. Diferencia entre coeficiente de Fricción, coeficiente de Adhesión y
coeficiente de Tracción. ....................................................................................... 24
Tabla 2. Resultados coeficiente de fricción [18] ................................................... 26
Tabla 3. Clasificación de equipos en carretera para medir textura [22] ................ 34
Tabla 4. Clasificación de equipos para medir fricción en carretera. ...................... 35
Tabla 5. Clasificación de la textura superficial del pavimento [25] ........................ 38
Tabla 6. Dureza de partículas de Arena ............................................................... 38
Tabla 7 Características del Deslizador [28] .......................................................... 40
Tabla 8 Parámetros de prueba ............................................................................. 43
INDICE DE ECUACIONES.
Ecuación 1(a) y 1(b) dimensiones de huella de contacto del neumático……….. ..13
Ecuación 2 fuerza de fricción en conducción dinámica relativa…………………..14
Ecuación 3 coeficiente de fricción transversal………………………………………..15
Ecuación 4 coeficiente de fricción longitudinal………….…………………………..16
Ecuación 5 fuerza de fricción total……………………………………………………..17
Ecuación 6 altura equivalente de la textura superficial....…………………………..33
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INDICE DE FIGURAS.
Figura. 1 Carretera México-Puebla [8].................................................................. 14
Figura. 2 Carreta México-Toluca [9]. .................................................................... 14
Figura. 3Huella de contacto del neumático [15]. ................................................... 17
Figura. 4 Coeficiente de Fricción Transversal. [17] .............................................. 20
Figura. 5 Coeficiente de Fricción Longitudinal. [17] .............................................. 20
Figura. 6 Componentes de la Friccion (adhesión e histéresis). [17] ..................... 21
Figura. 7 Micro y macro textura [17]. .................................................................... 22
Figura. 8 Zonas de interacción con pavimento mojado. [17]................................. 23
Figura. 9 Arreglo general del equipo [19] ............................................................. 27
Figura. 10. Comportamiento de los niveles de friccion [5] .................................... 29
Figura. 11 a Esquema de arreglo experimental, 11b Equipo de prueba [3] .......... 30
Figura. 12 Fuerza de tracción vs % de deslizamiento [3] ..................................... 31
Figura. 13 a Maquina de fricción lineal. 13 b Probetas de caucho con clavos [20] 32
Figura. 14. Coeficiente de fricción entre probetas de caucho con clavos y hielo [20]
............................................................................................................................. 32
Figura. 15. Mesa de fricción [21] .......................................................................... 33
Figura. 16. Resultados Arenas Normalizadas [21] ............................................... 33
Figura. 17 a Péndulo de Resistencia al Deslizamiento, 17 b Diagrama de arreglo
experimental. ....................................................................................................... 36
Figura. 18 Técnica de Mancha de Arena [25]. ...................................................... 37
Figura. 19, a Forma de partículas de arena de 176μm, 19 b forma de partículas de
arena de 1000μm. ................................................................................................ 38
Figura. 20 a tamaño de partícula arena 1000μm, 20 b tamaño de partícula arena
176μm .................................................................................................................. 39
Figura. 21 Peso del Deslizador ............................................................................ 39
Figura. 22 Dureza del deslizador.......................................................................... 40
Fig. 23, Medición de capa de hielo ....................................................................... 41
Figura. 24 Dimensiones del deslizador [29] .......................................................... 42
Figura. 25 a Probeta de asfalto con hielo limpio, b con arena de 1000μm, c con
arena de 176μm ................................................................................................... 42
Figura. 26 Resultados coeficiente de fricción. Con dos tipos de arena y hielo limpio
............................................................................................................................. 44
Fig. 27. Resultados de Coeficiente de fricción. Con dos tipos de arena y hielo .... 44
Figura. 28 a b hielo y arena 1000μm a -10°, 27 c d hielo y arena de 1000μm a
1.2°C, 27 e f hielo y arena de 176μm a -10°C, 27 g h hielo y arena de 176μm a
1.2°C. ................................................................................................................... 46
Figura. 29. Protuberancia en la capa de hielo ...................................................... 47
Figura. 30. Escarcha en superficie del hielo ......................................................... 48
Figura 31 Rayado en superficie del hielo ............................................................. 49
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10
Figura. 32. Adelgazamiento de capa de hielo ...................................................... 50
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11
OBJETIVO GENERAL.
Determinar y analizar el coeficiente de friccion con equipo péndulo en la interfaz
deslizador de elastómero con probeta de pavimento en presencia de hielo.
OBJETIVOS PARTICULARES.
Replicar la de capa de hielo en la probeta de asfalto para determinar el coeficiente
de friccion, en una transición de hielo solido a agua de fusión.
Desarrollar una metodología experimental para conocer el comportamiento del
coeficiente de friccion del hielo.
Determinar el comportamiento del coeficiente de friccion en presencia de arena
como modificador de friccion.
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12
JUSTIFICACION.
Debido al cambio climático que ocasiona temperaturas más extremas y por
tiempos más prolongados han generado que la presencia de hielo sea cada vez
más constante en el invierno y en otras estaciones del año. Por otro lado a causa
de la presencia de hielo en la carpeta asfáltica ha sido más constante el cierre de
carretea en diversas zonas de la República Mexicana; como es en la México
puebla México Toluca México Cuernavaca, Sierra de Durango, etc. En particular
en la carretera México Toluca km 12.84 se ha presentado hielo, con un TDPA
(Transito Diario Promedio Anual) de 37431 vehículos [8,32] lo que incrementa el
factor de riesgo por la cantidad de vehículos que circula en esta zona. A nivel
mundial se ha tratado de combatir la presencia de hielo con el uso de sales y o
arena para evitar que los vehículos se deslicen sobre el hielo, sin embargo estos
métodos no han sido validados puesto que el uso de la sal por daños corrosivos a
los metales, y además del tamaño, morfología y cantidad de la cantidad a aplicar
de la arena no ha sido plenamente estudiado.
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INTRODUCCION.
En temporada invernal el hielo en el asfalto representa factor de riesgo en
muchas carreteras o autopistas federales de México, debido a los cierres ocurridos
en la carretera México-Puebla en recientes años durante la temporada invernal [1].
Por otro lado el valor del coeficiente de fricción en estado seco entre el neumático
y el pavimento es de alrededor de 0,7 y en estado húmedo es de 0,4 [2]. Con el
hielo en las carreteras el contacto entre el neumático y la carretera se ve
comprometido, causando pérdida de fricción o adhesión, aumentando los
accidentes automovilísticos. Normalmente ocurre porque el conductor en estas
condiciones no es capaz de controlar el vehículo [3]. Se ha estudiado que la
aplicación de partículas de arena es un método común para mejorar la fricción en
neumáticos de aviones cuando aterrizan o despegan en pistas cubiertas de nieve
o hielo compactado. Sin embargo la aplicación de arena no siempre aumenta el
coeficiente de fricción. Ya se ha informado en algunos artículos sobre los
mecanismos de interacción de la arena aplicada en el contacto en aeropuertos o
carreteras y algunos estudios en laboratorio que analizan el efecto del lijado en la
interacción caucho-hielo y hielo-arena. Sin embargo, hay un vacío en la
información que señala el posible efecto del tamaño del grano de la arena en el
coeficiente de fricción y la interacción de la partícula de arena entre el elastómero
y el hielo utilizando el péndulo de resistencia al deslizamiento. Hayhoe encontró
un aumento de la fricción es debido a la suspensión de la arena sobre el agua de
deshielo. Mientras Blaisdell y Borland sugieren que el incremento del coeficiente
de fricción es debido al movimiento de rotación de partículas más grandes de
arena y la acumulación de la misma en el borde delantero del deslizador de goma.
El personal de mantenimiento del aeropuerto de Noruega señaló que el
mecanismo con apariencia de lijado tiene efectos negativos sobre el coeficiente de
fricción, ya que se refieren a esto como un efecto de rodamiento de bolas [4]. Así
también el tamaño de partícula es un factor a considerar, ya que las partículas
finas pueden proporcionar un coeficiente de fricción más alto que las partículas
gruesas [5]. En otro estudio se encontró que el efecto de la arena sobre las pistas
cubiertas de hielo, cuando entra en contacto con la banda de rodadura del
neumático es la acción de arado sobre la superficie del hielo [6]. Otra técnica
documentada para mejorar el coeficiente de fricción es distribuir sal en el contacto,
pero debido a los efectos corrosivos de la sal sobre los metales y a la degradación
acelerada del elastómero del neumático, actualmente su uso es limitado [7]. El
presente trabajo estudia el coeficiente de fricción del hielo en asfalto y la arena
como solución para el bajo coeficiente de fricción.
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14
CAPITULO1. Planteamiento del problema.
En la actualidad el hielo sobre la carpeta asfáltica en caminos y puentes federales
del país representa un problema vial, y en (2016) se cerró la carreteara federal
México – Puebla debido al congelamiento de asfalto como se nuestra en la Figura
1, en algunas zonas entre pendiente entre Rio Frio y la Ciudad de México, zonas
de alto riesgo según el centro nacional de control de CAPUFE, esta misma
situación se presentó en la carretera Durango – Mazatlán y México – Cuernavaca
[8].
Figura. 1 Carretera México-Puebla [8].
Debido a esto, es necesario comprender el fenómeno que puede presentarse
cuando sobre el asfalto se forme un tercer cuerpo que no permita el contacto entre
el neumático y pavimento, este tercer cuerpo puede ser agua, y condiciones de
hielo cuando se transite en temporadas invernales y muy probablemente en otras
estaciones del año debido al cambio climático. En abril del 2014 se presentó una
lluvia intensa acompañada con granizo que afecto la vialidad en la carretera
federal México-Toluca a la altura de Cuajimalpa (ver Figura 2), entre el kilómetro
27 hasta el 32, aquí el granizo alcanzó un espesor de nieve de 20cm sobre la cinta
asfáltica [9].
Figura. 2 Carreta México-Toluca [9].
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15
En estos casos es importante notar que cuando sobre el pavimento se presenta
hielo los riesgos de que ocurra un accidente aumentan debido a que con la
presencia de este el coeficiente de fricción disminuye entre la interfaz neumático
pavimento debido a las características deslizantes del hielo(baja rugosidad,
generación de agua como lubricante) y a la temperatura que presenta el asfalto,
es por eso que es importante evaluar el coeficiente de friccion bajo estas
condiciones, y de ahí poder analizar alguna solución de acuerdo a las
características ambientales que se presenten en la carretera.
En casos recientes las recomendaciones emitidas por las autoridades son claras
en cuanto a cómo abordar la temporada invernal, aunque en las carreteras lo
único que puede recomendar es que los conductores reduzcan la velocidad,
aunque eso no evita el riesgo de accidentes, solo retrasa el tránsito en vías
federales. Las alternativas hasta ahora son un poco desfavorables ya que las
inclemencias del clima son muy peligrosas y no depende de factores que se
puedan controlar [8,9].
En Estados Unidos tienen registro de 2002 a 2012 que documenta que, de 1.3
millones de vehículos con siniestro, el 12% representa algún accidente en
carreteras heladas, esto representa 45,133 personas lesionadas y 580 pierden la
vida, según el departamento de transporte [10]. Bajo estas cifras se menciona que
el hielo negro es una de las peores condiciones de conducción, ya que el
conductor no es capaz de detectar la presencia del mismo [10].
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16
CAPITULO 2. Marco Teórico.
El contacto entre neumático pavimento está relacionado con aspectos tales como
la seguridad en el transporte, la resistencia al deslizamiento, la generación de
ruido y el consumo de combustible [11].
Para el consumo de combustible es importante considerar una cifra que relaciona
la resistencia al deslizamiento, la cual dice que en el 2006 el 23% de 𝐶𝑂2
producido en la unión europea eran emitas por el sector de transporte motorizado,
para autos con motores de combustión clásico, alrededor del 10% al 40% de la
energía química almacenada está disponible como energía mecánica para el
motor, la otra parte se pierde en energía residual en forma de calor producido por
el motor. Por otra parte la energía disponible es consumida por la resistencia
aerodinámica, la resistencia a la rodadura y la aceleración. Dependiendo de las
condiciones de la conducción y perdidas de histéresis en los neumáticos. La
resistencia a la rodadura con el tiempo llega a representar del 5% al 30% del
consumo de combustible en los automóviles turismo típicos [12].
Respecto a las condiciones ambientales de las carreteras pueden no representar
un problema de consumo de combustible, más bien representa problemas de
seguridad, accidentes y cierre de carretas.
Una vez que en las carreteras se presente hielo, esta puede ser la condición más
peligrosa para la conducción, ya que se requiere toda la atención del conductor
con el riesgo que el vehículo salga de control en cualquier momento. La seguridad
sigue siendo una preocupación importante durante la conducción en carreteras
con hielo. [10]. Es importante considerar este fenómeno ya que está relacionado
con el deslizamiento de vehículos y perdida de friccion bajo estas condiciones.
La friccion entre el neumático y el pavimento va a depender mucho de la mezcla
del material compuesto del neumático ya que depende de las deformaciones
viscoelasticas que presente este material al entrar contacto con la superficie de las
carreteras [13].
La resistencia a la rodadura, es un fenómeno que produce todas las fuerzas y
momentos que se utilizan para alterar el estado del vehículo durante la trayectoria,
aceleración, frenado y curvas. Estas fuerzas y momentos se generan por las
deformaciones de rodadura de los neumáticos a causa de las cargas verticales.
[14]
La resistencia a la rodadura se define como la disipación de energía por unidad de
distancia recorrida por un neumático de rodadura libre que se mueve en línea
recta. Los compuestos viscoelásticos del elastómero que se están cíclicamente
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17
deformando por la carretera dan lugar a una distribución de tensión normal
asimétrica que ha desplazado una fuerza equivalente situada de la mitad hacia
adelante del contacto, tal fuerza se denomina de resistencia a la rodadura y el par
generado por el motor, lo que se traduce en disipación de energía para superar la
fuerza de resistencia y por lo tanto conducir el neumático hacia adelante. [14]
2.1 Contacto mecánico entre neumático y pista solida rígida.
Una rueda neumática se puede considerar como una membrana delgada, elástica
con presión interna. Sin interaccionar con un cuerpo solido rígido forma una huella
de contacto de geometría elíptica como se observa en la Figura 3 y presenta
zonas de deformaciones en las caras tanto internas como externas.
Figura. 3Huella de contacto del neumático [15].
Las dimensiones de la elipse de contacto están en función de sus radios siendo el
menor a’, el mayor b’ y la deflexión vertical de la misma δ, tal como se expresa en
la ecuación 1a y 1b.
𝑎′ = {(2𝑅 − 𝛿)𝛿}1
2 −−(1𝑎) ; 𝑏′ = {(𝑤 − 𝛿)𝛿}1
2 −−− (1𝑏)
El neumático puede experimentar tres fenómenos fundamentales: tracción,
frenado, rodadura. La mayor parte de la fluencia y micro deslizamiento se presenta
durante la rodadura. La fuerza tangencial como el elemento de torsión ocasiona
una deformación lateral en las caras del neumático, conocida como fuerza de
viraje. Este conjunto en el torque de auto alineación desempeña un papel
importante en el direccionamiento del vehículo. [15]
2.2 Resistencia al deslizamiento.
Una parte importante para la resistencia al deslizamiento son las características
que debe de cumplir el pavimento, se refiere a disponer de una superficie que
asegure la adherencia con los neumáticos en todo instante y sobre todo en zonas
de frenado curvas y cuando el pavimento este mojado ya que es fundamental para
la seguridad de los usuarios [16].
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18
La adherencia entre el pavimento y neumático va decreciendo debido a pulimiento
de la superficie a causa del tránsito, un parámetro importante en la adherencia es
el coeficiente de friccion [16]. Este coeficiente se puede cuantificar físicamente
mediante un factor que resulta de la relación entre la fuerza de friccion
desarrollada en la interfaz de un neumático impedido a rodar sobre el pavimento y
el peso sobre el neumático.
La resistencia al deslizamiento es la fuerza desarrollada entre la superficie del
pavimento y los neumáticos que están impedidos a rodar, que se deslizan a lo
largo de la superficie. Existen dos situaciones básicas que condicionan la
seguridad del usuario por una baja resistencia al deslizamiento. Estas son las
salidas de un vehículo desde el camino en una curva y el deslizamiento ante una
frenada de emergencia.
2.2. Coeficiente de Fricción.
El movimiento de un vehículo es posible mientras las fuerzas resistentes sean
iguales o superiores a las fuerzas de arrastre. La resistencia al deslizamiento que
presenta una superficie de pavimento está determinada por el valor efectivo de
roce expresado mediante el coeficiente de fricción μ.
El vehículo se considera como un cuerpo rígido y se asume que las fuerzas
resultantes actúan en el centro de gravedad. La fuerza de friccion es dependiente
del coeficiente de friccion y de la carga normal sobre la trayectoria de contacto
entre neumático y pavimento. Para la distribución de las fuerzas en la conducción
dinámica relativa el vehículo se considera como una masa puntual, se presenta la
siguiente relación:
𝐹 = 𝜇 ∗ 𝑄 − − − (2)
F: Fuerza de friccion.
Q: Peso del vehículo.
μ: Coeficiente de fricción.
El coeficiente de friccion varía por la influencia de elementos físicos como, presión
de aire de los neumáticos, composición de los neumáticos, tipo y condición de la
superficie del pavimento, presencia o ausencia de humedad, fango, nieve o hielo.
Durante el movimiento del vehículo, diferentes fuerzas son transmitidas entre los
neumáticos y el pavimento, las cuales actúan normal a la superficie (fuerza
vertical) como también paralelas a ella (fuerza horizontal). [17]
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19
Las fuerzas horizontales pueden ser proyectadas en la dirección tangencial, que
es paralela a la trayectoria del vehículo, y en la dirección radial, que es normal a la
trayectoria del vehículo. Esto se puede apreciar de mejor manera en curvas, ya
que la fuerza de rozamiento compensa el efecto que genera la fuerza centrífuga,
lo que impide que el móvil pierda el control y salga expulsado en forma tangencial
al radio de la curva, por lo que la fuerza de fricción se desarrolla en una dirección
longitudinal y en otra transversal al sentido del desplazamiento. En una curva el
coeficiente de fricción principal corresponde al coeficiente de fricción transversal
[17].
Cada neumático contribuye a la trasmisión de fuerzas cuando el vehículo está en
movimiento. Para el modelo de masa puntual se debe considerar que:
La masa del vehículo está concentrada en el centro de gravedad.
Todas las fuerzas actúan en el centro de gravedad.
El centro de gravedad hipotético del vehículo se proyecta sobre la
superficie.
El área de contacto entre neumático y superficie está generalizada y
simplificada.
El movimiento tridimensional es reducido al movimiento en dos
dimensiones, las cuales son analizadas en forma separada. [17]
2.3.1. Tipos de coeficiente de fricción.
2.3.1.1 Coeficiente de Friccion Transversal..
Es la relación entre la reacción (FY) transversal a la rueda situada en un plano
perpendicular al plano de la misma y el peso que actúa sobre ella (FZ). [17]
𝑓𝑡 =𝐹𝑌
𝐹𝑍− − − (3)
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Esta relacion puede observarse en la Figura 4.
Figura. 4 Coeficiente de Fricción Transversal. [17]
2.3.1.2 Coeficiente de Fricción Longitudinal.
Es la relación entre la reacción (FX) Tangencial a la rueda situada en un plano
vertical al plano de la misma y el peso que actúa sobre ella (FZ), como se observa
en la Figura 5. [17]
𝑓𝑙 =𝐹𝑋
𝐹𝑍− − − (4)
Figura. 5 Coeficiente de Fricción Longitudinal. [17]
2.4 . Componentes del Coeficiente de Friccion.
2.4.1. Adhesión.
La adhesión es el resultado de la resistencia al corte provisto por la interacción
molecular de la goma del neumático y de los áridos. Su magnitud es determinada
por la naturaleza de los dos materiales en contacto.
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2.4.2. Deformación o Histéresis.
La deformación o histéresis de origen viscoelástico es causada por pérdida de
amortiguamiento en la goma, cuando ésta es desgastada sobre y alrededor de las
partículas minerales [17]. En la ecuación 5 se muestran los componentes de la
Fricción.
𝐹 = 𝐹𝑎 + 𝐹ℎ − − − (5)
F: Fuerza de Fricción total.
Fa: Fuerza de Fricción por Adhesión.
Fh: Fuerza de fricción por Histéresis o de origen viscoelástico.
Por otra parte en los pavimentos mojados, la película de agua que se interpone
entre las dos superficies de contacto impide el contacto molecular, anulándose la
componente de adherencia si la película de agua no es evacuada con rapidez.
Esta pérdida en el coeficiente de fricción por adherencia en pavimentos mojados
se traduce en un incremento del porcentaje de accidentes por deslizamiento.
Sobre superficies secas, el coeficiente de fricción del neumático pavimento
producido por adherencia predomina sobre el coeficiente fricción producida por
deformación, siendo proporcional al área de contacto neumático pavimento,
disminuyendo al aumentar la temperatura y variando con la velocidad [10]. En la
Figura 6 se muestran los componentes de la fricción.
Figura. 6 Componentes de la Friccion (adhesión e histéresis). [17]
-
22
2.5. Factores que Afectan el Valor del Coeficiente de Fricción.
El coeficiente de fricción en la interfaz neumático pavimento está condicionado por
características del pavimento (tipo, composición y adherencia), la densidad del
tránsito, condiciones del lugar, contaminación en la superficie (aceite, polvo, goma,
etc.), grado de humedad en la superficie y temperatura.
2.5.1. Adherencia del Pavimento.
Se relaciona con la estructura geométrica de la superficie, formado por el
agregado y el ligante. Las propiedades de la mezcla dependen de la naturaleza y
granulometría de los agregados, del ligante utilizado y de su composición. La
adherencia que presenta un pavimento (micro y macrotextura) expresa un alto o
bajo coeficiente de friccion y el grado de drenaje que posee.
Macrotextura: Corresponde a los intrínsecos generados debido a la distribución de
agregado en la superficie. Afecta la capacidad de drenaje que tiene la superficie
del pavimento para despejar el agua de la misma, lo cual permite un mejor
contacto entre el neumático y la superficie de rodado. Presenta una longitud de
onda (λ) de 0.5-50mm y una amplitud (A) de 0.01-20mm.
Microtextura: Influye en el coeficiente de fricción entre el neumático y la superficie
de rodadura. Es la característica propia del agregado expuesto. Presenta una
longitud de onda (λ) de 0-0.5mm y una amplitud (A) de 0.01-0.5mm. [17]
En la Figura 7 se observan la micro y macro tesxtura del pavimento.
Figura. 7 Micro y macro textura [17].
2.5.2. Presencia de Agua en la Superficie.
El espesor de la película de agua sobre la superficie de rodado en ocasiones
produce pérdida de control, lo cual es conocido como hidroplaneo.
El hidroplaneo (aquaplaning) se produce cuando el espesor de la película de agua
es apreciable y el vehículo viaja a alta velocidad en texturas muy finas que no dan
tiempo de evacuarla en la interfaz neumático pavimento. Esto se puede evitar a
-
23
través de una macrotextura adecuada de la carpeta de rodado, de tal forma que se
produzca un contacto directo en esta interfaz.
En la figura 8 se muestra esquemáticamente las zonas de interacción entre el
neumático y el pavimento mojado. La interacción entre ambos puede dividirse en
tres zonas, en la primera existe una película de agua que impide el contacto, en la
segunda se ha logrado evacuar la mayor parte del agua, quedando una película
discontinua en algunas asperezas del pavimento, en la tercera se ha desplazado
la película de agua y existe un contacto prácticamente en seco. Una macrotextura
gruesa ayuda a una mayor capacidad de evacuación de agua. Al aumentar la
velocidad del vehículo o espesor de película de agua, se reduce la zona 3,
aumenta la zona 1 y se disminuye la adherencia. [17]
Figura. 8 Zonas de interacción con pavimento mojado. [17]
2.5.3. Naturaleza del agregado que constituye la naturaleza de la calzada.
Las características de la textura superficial de una carpeta de rodado se van a
modificar a medida de que se produce el paso de vehículos, generando desgaste
y pulimiento, lo que afecta directamente a la adherencia en esta interfaz. Esto
depende de la naturaleza y forma del árido, influyendo en su vida útil y en la
seguridad de la conducción. [17]
2.5.4. Naturaleza del ligante utilizado. (Cemento, asfalto).
El exceso del ligante es nocivo y disminuye la fricción porque produce
macrotexturas finas y aparecen capas muy resbaladizas y peligrosas en presencia
de líquidos. [17]
2.5.5. Estacionalidad.
El coeficiente de fricción para una misma vía cambia dependiendo del período en
que se realice la medición, el coeficiente medido en verano es inferior al registrado
en invierno, ya que el pavimento es lavado por las precipitaciones. [17]
-
24
2.5.6. Presión de inflado de los neumáticos.
Mientras mayor sea la presión de inflado del neumático, menor será el área de
contacto en la interfaz, por lo tanto, la fricción entre ambas superficies disminuye
[17].
2.5.7. Velocidad del vehículo.
Actúa en dos formas que se suponen:
1) En presencia de agua: A medida que la velocidad aumenta existe la
tendencia a la disminución del coeficiente de fricción, esta disminución es
tanto menor como mayor sea la evacuación de agua que proporciona la
macrotextura de la superficie de asfalto.
2) Por efecto dinámico vertical: La fuerza de contacto en la interfaz aumenta y
disminuye con respecto al valor estático al disminuir o aumentar la
velocidad, variando la adherencia, por lo tanto es función de la
rugosidad.[17]
2.5.8. Importancia del tráfico.
El volumen y tipo de tráfico que circule influirá en el desgaste del pavimento. Los
excesos de cargas o presiones de inflado, causan esfuerzos que exceden la
resistencia al corte de los materiales, causando una deformación permanente e
irrecuperable de las capas de pavimento, la cual se manifiesta en la superficie
como un canal longitudinal bajo la huella descrita por las ruedas del vehículo. El
impacto e importancia que tiene este fenómeno está determinado
fundamentalmente por la influencia que tiene en aspectos tales como las fuerzas
dinámicas en un vehículo durante su recorrido y la seguridad (específicamente en
lo relacionado al riesgo que genera el fenómeno del hidroplaneo) [17]. Por otra
parte la Tabla 1 muestra la diferencia entre coeficiente de fricción adhesión y
tracción.
Tabla 1. Diferencia entre coeficiente de Fricción, coeficiente de Adhesión y coeficiente de Tracción.
CoF Coeficiente Adhesión Coeficiente tracción
Es la oposición al deslizamiento que ofrecen las superficies de dos cuerpos en contacto y es característico de cada par de materiales[31]
Es la resistencia al deslizamiento por el elemento de rodadura cuando se presenta un par de frenado.
Es una forma de fricción pero se distingue de esta por su utilidad en la propulsión de vehículos [31].
-
25
2.6 Revisión de trabajos de friccion sobre hielo.
2.6.1 Evaluación de mecanismos de fricción y tasas de desgaste en
neumáticos de goma en laboratorio.
En estudios recientes se han realizado pruebas para evaluar el coeficiente de
fricción y la tasa de desgaste de diferentes materiales elastómericos, las pruebas
fueron realizadas con el equipo péndulo de resistencia al deslizamiento para
obtener el coeficiente de fricción, y para hacer las pruebas de desgaste se utilizó
el tambor rotatorio abrasivo.
A si mismo los materiales evaluados fueron, una muestra de neumático
convencional (RA), otra de neumático de competencia (RC), neumático tipo verde
o biodegradable (RB), y adicionalmente el deslizador de goma del péndulo
(RASTM). Las geometrías utilizadas para los deslizadores fueron dos
rectangulares para las pruebas de fricción y redondas para las pruebas de
desgaste. También se realizaron mediciones de energía de deformación
superficial del elastómero esto con el fin de conocer la energía de deformación o
histéresis de cada material, en base a su composición química tienen. Estas
pruebas tuvieron como objetivo observar la tasa de desgaste y el coeficiente de
fricción de los materiales anteriormente mencionados.
Por ultimo no se realizó un análisis de textura del asfalto. Así también estas
pruebas fueron llevadas a cabo en condición seca y sobre un papel de lija para
simular condiciones abrasivas de la superficie.
Los resultados obtenidos en este estudio denotaron que los neumáticos para
competición presentan los valores más altos de fricción debido a la composición
del elastómero, comparado con los valores de fricción de los neumáticos comercial
y el tipo verde, ya que son neumáticos de uso cotidiano y no son sometidos a
condiciones y velocidades criticas como es en el neumático de competición.
El deslizador del péndulo RASTM presento los valores de friccion más bajos
debido a que es un caucho de prueba, los deslizadores al ser sometidos a prueba
sobre el papel de lija tuvieron un aumento en la fricción debido a las
características de la superficie. Para evaluar la intensidad o gravedad del patrón
de abrasión, se evaluó la longitud de onda para cada muestra, para medir este
patrón se siguió el procedimiento, midiéndola sobre una longitud fija de 7.5mm en
dirección paralela a la superficie de movimiento relativo durante las pruebas,
analizando los resultados de estas pruebas de desgaste, el neumático de
competición la tasa de desgaste es más alta, más del doble que la que obtuvo el
neumático convencional que fue el segundo más alto. Nuevamente se presenta la
-
26
misma tendencia en cuanto al neumático verde y el neumático convencional, ya
que son los cauchos intermedios e incluso se nota una diferencia en cuanto a la
tasa de desgaste, ya que el neumático verde se desgasta un 11%, teniendo un
buen rendimiento del compuesto y una buena respuesta a la fricción. El deslizador
RASTM tiene la menor tasa de desgaste, es esperado ya que es un material de
prueba que tiene una vida útil relativamente grande. A continuación en la Tabla 1
se muestra el resumen de los resultados obtenidos.
Tabla 2. Resultados coeficiente de fricción [18]
caucho Long
de
hond
a mm
Friccion
pavimento
μ
papel
de lija
Energía
perdida
(J)
Volumen
de
desgaste
(mm)
Energía
súper-
ficial (J)
Energía
perdida
(J)
Tan(δ)@
23°C
RC 1.43 65 95 18326.1 305176 27.4 267.8 0.56
RA 0.65 63 91 17762.2 139302 36.6 256.6 0.17
RB 0.4 61 90 17198.3 124001 33.3 253.7 0.48
RASTM 0.46 46 86 12969.2 80213 34.3 242.5 0.03
Se concluye que los resultados obtenidos son una forma de clasificación de los
materiales ensayados ya que es notable que el neumático de competición obtuvo
valores de friccion más altos, como se propuso los valores de fricción tiene buena
relación con los valores de energía superficial, formando ondas de desgate que
pueden estar relacionadas con la presencia de fuerzas adhesivas, tanto la tasa de
desgaste y el coeficiente de fricción dependen de las propiedades viscoelasticas
del caucho [18].
2.6.2 Desarrollo de pruebas y medición de fricción de neumáticos en asfalto
con hielo.
Otro estudio con el péndulo de resistencia al deslizamiento, se llevó a cabo para
medir los niveles de fricción sobre carreteras con hielo, aquí se le realizo una
modificación al péndulo adaptándole una rueda de goma rígida en lugar de utilizar
el deslizador de goma que es el usado para estas pruebas, con esta rueda se
replicaban dos fenómenos, rodadura y deslizamiento, también se le instalaron
sensores de lectura para medir la velocidad rotacional de la rueda, este codificador
-
27
almacenaba los datos en un programa de labview. Además se recalcularon los
momentos de inercia del equipo para hacer la modificación al brazo del péndulo, y
cálculos de perdida de energía por friccion para validar que las pruebas realzadas
con estas modificaciones en el equipo sean correctas. A continuación se muestra
en la Figura.9 el arreglo experimental y la modificación que se le realizo al equipo.
Figura. 9 Arreglo general del equipo [19]
La generación de la capa de hielo se realizó congelando un volumen de agua
distribuido en la superficie del asfalto, y después de ahí la dejaron congelar
durante 12 horas, generando dos tipos de capa de hielo una gruesa y una
delgada, la gruesa se generaba con 100 ml de agua y daba un espesor de la capa
de hielo de 4mm y la segunda se generaba con 50 ml de agua y daba un espesor
de 2 mm. Las pruebas se realizaron con estas dos capas de hielo con tres
movimientos diferentes de la rueda, en rodadura, en frenado y en aceleración, con
un valor de velocidad para rodadura de 42 rad/s, para aceleración y
desaceleración en un rango de velocidades 30rad/s a 60rad/s respectivamente. Se
realizáron mediciones cada 2 min a lo largo de un tiempo de 30 a 40 min para
observar la variación del coeficiente de fricción a lo largo de este tiempo. Dando
como resultado una serie de pruebas en donde los valores de friccion son
variables con respecto al tiempo, ya que en cada caso se observan valores de
friccion elevados al inicio de las pruebas, pero este valor se estabiliza después de
las corridas de la rueda, para la condición de rodadura se obtuvieron niveles de
fricción más altos al inicio de las pruebas, pero después se estabilizó en valores
de 0.1 y 0.2, debido a la velocidad con la que ocurría el fenómeno. Para el caso de
frenado se obtuvieron valores intermedios de friccion que son entre 0.45 y 0.67,
debido al fenómeno de desaceleración que sufre la rueda. Para el caso de
Com.
Péndulo
Cámara de alta
velocidad
Luces de alta
intensidad
Luces UV
Muestra de
carretera
Fuente de
rotación
Computadora
HSV
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28
aceleración se obtiene un pico en el nivel de fricción de 0.3, pero después de esto
este valor desciende nivel crítico entre 0.2 y 0.05 debido a que en esta condición
se acelera la rueda hasta 60rad/s, en algunos casos se obtuvieron valores de
fricción negativos esto es debido a que el sistema adquiere energía. Con esta
experimentación muestran datos relevantes de los valores de friccion en presencia
de hielo [19].
2.6.3 Comparación entre la fricción del caucho-hielo y arena-hielo con el
efecto de contaminación de nieve suelta.
Otros estudios se han efectuado para conocer los niveles de fricción con el equipo
péndulo, haciendo el uso de la aplicación de arena para mejorar los niveles de
fricción en los aeropuertos en presencia de hielo, los experimentos se realizaron
entre temperaturas de -22°C y 0°C en un cuarto frio con temperatura controlada
climatizado durante 24h, y con el efecto de contaminación por nieve suelta. Se
prepararon dos tipos de hielo, el primero es aquel que se forma naturalmente en
las carreteras y pistas por las lluvias de congelación, este método consistió en la
congelación de una capa de agua sobre una probeta de asfalto, este
procedimiento dio lugar a una capa de hielo lisa pero ondulada, la temperatura del
agua fue de 0°C, este tipo de hielo fue conocido como hielo pulverizado. El otro
tipo de hielo se cultivó en un tanque aislado de agua con dimensiones de
(500*350*300mm), se obtuvieron muestras de hielo rectangular de (250*90*10
mm3 ), de ahí se cortaron muestras de 30*40mm, este tipo de hielo se le clasifico
como hielo s-2, después este tipo de hielo se dejó sublimar, en una cámara
cerrada que contiene gel de sílice durante 48h a -10°C con humedad relativa de
80-85%. Este procedimiento minimiza el daño mecánico a la superficie y dejándolo
como hielo suave con acabado espejo, para que fuera una muestra pura, lisa y
transparente.
Para estas pruebas se utilizó el deslizador de goma 55 (TRRL 30), la longitud de
deslizamiento fue de 125mm la precarga del brazo del péndulo es
aproximadamente de 22N, la zona de contacto nominal es aproximadamente de
152mm2, dado una presión de contacto nominal de 140kPa, la velocidad de
deslizamiento es aproximadamente de 3m/s. Se pegaron cinco partículas de arena
a lo largo del borde del deslizador con un tamaño de grano de 3.2mm,
asegurando así que estas partículas se utilizan en la misma orientación a lo largo
del experimento. Para las pruebas se realizaron cinco mediciones para hielo
limpio, cinco para hielo contaminado con nieve, se vuelve a aplicar la nieve para
cada repetición y finalmente una medición con arena en hielo contaminado con
nieve. La nieve fue obtenida varios días después de la última nevada, la nieve fue
tamizada en fracciones de 0-5.2mm, y se dejó sinterizar por tres días.
-
29
Los resultados obtenidos fueron en función de la temperatura del hielo, la
tendencia obtenida es que a temperaturas bajas el coeficiente tiende a aumentar,
el comportamiento del coeficiente para las condiciones antes mencionadas se
muestran en la Figura.10.
Figura. 10. Comportamiento de los niveles de friccion [5]
En esta imagen se puede observar el comportamiento del coeficiente de fricción
para cada condición, es importante observar que el valor de fricción más altos son
para la condición de caucho y hielo en un rango de 0.3 a 0.4, pero después de -
5°C tiende a descender drásticamente, debido al agua de fusión, desciende hasta
un valor aproximado de 0.1 a 0°C. Para la condición de arena y hielo con nieve,
los valores de fricción son intermedios, y no necesariamente aumenta los niveles
de fricción, el coeficiente de fricción para esta condición fueron entre 0.2 y 0.4, ya
que en este caso se menciona que las partículas de arena no logran incrustare en
la superficie del hielo, y puede provocar rodadura de estas partículas, y se
menciona que partículas más finas puede proveer un valor de fricción más altos.
Para la condición de caucho y hielo con nieve, se obtuvieron los niveles de fricción
más bajos, ya que el efecto de contaminación con nieve suelta impide el contacto
del caucho con la superficie del hielo, los valores de friccion para esta condición
van en un rango de 0.09 a 0.05 y decrece debido al agua de fusión ya que la
superficie se pule con la nieve suelta [5].
2.6.4 Investigación experimental del comportamiento de los neumáticos en el
hielo.
Por otra parte se han realizado pruebas para observar el comportamiento del
neumático en carreteras heladas pero con equipos más sofisticados simulando
-
30
condiciones reales de operación. Esta investigación se llevó a cabo para entender
los factores que afectan la operación de los neumáticos en carreteras heladas, se
utilizó la norma ASTM F2493-08 (SRTT) P225/60 con un neumático R1697S, lo
que se pretende comprender es el efecto de la profundidad de dibujo de la banda
de rodadura, se utilizaron dos neumáticos con las características antes
mencionadas, el primero con una profundidad de dibujo de 7.97mm, y el segundo
con una profundidad reducida de 1.6mm, se eligieron lo niveles de presión de
inflado nominal y de carga nominal que fueron el 60% de este valor para la
presión, y para la carga el 120% de este valor. La temperatura del hielo para las
pruebas fue entre 0 y -10°C, los ángulos de convergencia fueron entre 0° y 2° y
para la comba fueron entre 0° y 1.5°, las relaciones de deslizamiento fueron 12
diferentes comprendidas entre 0% y 80%, cada ensayo se repitió tres veces para
asegurar su repetitividad. La preparación del hielo se realizó colocando una capa
de aislamiento de espuma en el asfalto, añadiéndole dos placas aislantes,
finalmente se le coloca la estera de hielo en la lámina de plástico conectando a la
refrigeración al aire libre. Después el sistema se cargó con etilenglicol, que actúa
como refrigerante hasta que la presión alcanza un valor constante, la tasa de
crecimiento del hielo era de 2mm/2h con un espesor de 3mm sin presencia de
burbujas de aire sobre la superficie. Las pruebas se efectuaron a -3°C para hielo
húmedo y a -10°C para hielo seco. El equipo que se utilizó para las pruebas fue el
Rig Terramechanics, este se utiliza para ver la interacción del neumático o una
rueda metal con cualquier tipo de superficie. El equipo consta de una cámara de
ensayo que puede albergar cualquier tipo de superficie, y un carro con un a rueda
que entra en movimiento sobre la superficie, consta de dos motores uno
proporciona movimiento al carro y el otro mueve la rueda, consta de un sistema de
pistones neumáticos para mantener una carga normal sobre la rueda, proporciona
ángulos de inclinación de -8° a 8°, el ángulo del pie va de -25° a 25°. En la Figura
11a y 11 b se muestra el arreglo experimental.
Figura. 11 a Esquema de arreglo experimental, 11b Equipo de prueba [3]
a b
-
31
Lo que se obtuvo de la experimentación es que los parámetros de funcionamiento
como la carga normal, la presión de inflado, ángulo de convergencia, profundidad
del dibujo, la temperatura del hielo, el modificador de friccion que se agrega a la
superficie son factores que pueden variar el comportamiento del coeficiente de
fricción, ya que son factores que fueron evaluado con respecto a una fuerza de
tracción con respecto a un porcentaje de deslizamiento, y la temperatura del hielo,
el comportamiento del valor de friccion son alterados con respecto a los factores
antes mencionados, pero el principal factor que modifica los niveles de friccion es
la temperatura de la capa de hielo, ya que con porcentajes de deslizamiento más
altos se produce más calentamiento por friccion en la superficie del hielo lo que
provoca que allá agua en la zona de contacto disminuyendo así el valor de
fricción, al agregar los modificadores de friccion se tiende a aumentar el nivel de
fricción dependiendo del tamaño de partícula para estas pruebas se agregó tierra
y lodo, lo cual para esta investigación no era relevante. En la Figura 12 muestra
la fuerza de tracción normalizada versus el porcentaje de deslizamiento
Figura. 12 Fuerza de tracción vs % de deslizamiento [3]
En la figura de arriba se observa la fuerza de tracción donde la peor condición es
con hielo mojado, mientras con el fango se incrementan el valor de tracción debido
a que se produce un efecto de lijado en el hielo, por ultimo con hielo seco el valor
es intermedio debido al comportamiento resbaladizo del hielo [3].
-
32
2.6.5 Medición de la fricción de Neumáticos con clavo sobre hielo en
condiciones de laboratorio.
En este estudio se realizaron pruebas para analizar el comportamiento del
coeficiente de fricción simulando la banda de rodadura de neumáticos con clavos,
para este estudio se utilizó un medidor de fricción lineal este equipo provee
valores coeficiente de fricción basado en un movimiento reciprocarte entre un
deslizador de goa cuadrado y la superficie del hielo, las probetas de caucho
cuadradas con tamaño de 60*60mm, estas probetas tienen insertos de clavos de
tamaño de 2.4mm, 2.6mm y 3mm, el diámetro de los clavos fue de 1.2mm y
1.5mm, para las pruebas se usó una distancia de deslizamiento de 1m,
velocidades de 20mm/s y 2m/s, una fuerza vertical de 200N y 1200N, temperatura
ambiente fue de -10°, -8°C, -5°C, -3°C. El equipo medidor de fricción lineal y las
probetas de caucho se muestran en la Figura.13 a y 13 b respectivamente.
Figura. 13 a Maquina de fricción lineal. 13 b Probetas de caucho con clavos [20]
Para estas pruebas se obtuvieron los siguientes resultados mostrando los valores
del coeficiente de fricción a diferentes temperaturas, se muestran en la Figura.14.
Figura. 14. Coeficiente de fricción entre probetas de caucho con clavos y hielo [20]
Los resultados muestran un comportamiento descendente en el valor de fricción
debido a la presencia de agua, aunado a esto el tamaño del clavo también tiene
influencia en el coeficiente de fricción, ya que con el clavo de 1.2mm (1x) la
fricción es más baja que con el clavo de 1.5mm (2x), el pico máximo de fricción
a b
-
33
para el clavo (2x) fue de 0.33 a -10°C, para (1x) fue de 0.3 a -10°C, pero de ahí
disminuye hasta 0.17 para (2x) a -3°C y 0.13 para (1x) a -3°C, observando que el
tamaño del clavo tiene influencia sobre el coeficiente de fricción, pero el agua de
fusión hace decrecer este valor [20].
2.6.6 Estudio preliminar de arena fina sobre la fricción del hielo lijado.
Este estudio fue realizado para evaluar el coeficiente de fricción entre un
deslizador de goma cuadro y hielo, utilizando tres tipos de arena normalizada
ASTM, FAA, SAE: en tamaños de grano entre 0.297 y 0.177mm con una
concentración 1750g/m2. El estudio se llevó a cabo en un cuarto frio a temperatura
de -10°C, el equipo que se utilizo fue la tabla de fricción que es un tipo de medidor
de friccion lineal, en el estudio anterior se utilizó para medir el coeficiente de
fricción entre deslizadores de goma cuadrados y hielo, para estas pruebas se
utilizó una carga normal de 222N con una velocidad de deslizamiento de 0.06m/s,
la huella de contacto fue de 46mm, el equipo se muestra en la Figura.15.
Figura. 15. Mesa de fricción [21]
Los resultados obtenidos se muestran en la Figura 16.
Figura. 16. Resultados Arenas Normalizadas [21]
-
34
Estas pruebas muestran el comportamiento de los tres tipos de arena observando
que el coeficiente de fricción varían por el tipo de arena, y por la condición de la
capa de hielo, se refiere a tipo, ya que en su forma de la partícula en algunos
casos fue redonda lo que ocasiono que el valor del coeficiente de fricción bajaran
a 0.2, ya que así no se adhería la arena a la superficie del hielo y actuaba como
un lubricante solido en la superficie del hielo, de ahí los valores aumentan a 0.33 y
0.45, debido la arena se adhirió a la superficie del hielo, logrando este un efecto
de lijado [21].
2.6.7 Métodos para medir fricción en campo.
Estos equipos estiman indirectamente la fricción a partir de la resistencia al
deslizamiento de una rueda que al momento de la medición se bloquea, total o
parcialmente, y que se desplaza a cierto ángulo con respecto a la trayectoria del
vehículo; para la medición de la macrotextura los equipos no estacionarios usan
diferentes tecnologías basadas en rayo láser [22]. En la Tabla 2 y en la Tabla 3 se
muestran algunos equipos para la medición del coeficiente de fricción en campo.
Tabla 3. Clasificación de equipos en carretera para medir textura [22]
Para Textura Descripción Ejemplos
Equipos Estacionarios Con velocidad de
deslizamiento nula
Nombre Comercial:
circulo de arena
Equipos Móviles a
velocidad de crucero
Con velocidad de
deslizamiento desde 10
kph y hasta 60 kph
Nombre comercial:
AEPO RST
Equipos Móviles de
gran velocidad
Con velocidad arriba de
los 60 kph
Nombre Comercial:
Slecom Road Laser
-
35
Tabla 4. Clasificación de equipos para medir el coeficiente de fricción en carretera
[22].
Para Fricción Descripción Ejemplos:
Con ruedas oblicuas,
en inglés se usa el
término Side Force
La rueda se mantiene
formando un ángulo
respecto al sentido del
movimiento, sin aplicar
Ninguna otra condición
de Frenado. Se mide
el esfuerzo lateral,
Perpendicular al plano
de Rotación.
Nombres comerciales:
Mu-Meter/SCRIM
Con una rueda
Parcialmente
bloqueada Fixed Slip
Deslizamiento Fijo. La
rueda gira
parcialmente
bloqueada en la
dirección de la
trayectoria del vehículo Nombre Comercial: Grip Tester.
Nombre comercial: Norsemeter
Deslazamiento
variable
Con una rueda
bloqueada, Locked
Wheel
La velocidad relativa
entre el neumático y el
Pavimento es igual a la
del vehículo. El
bloqueo es del 100% y
mide la fricción
máxima.
Nombre comercial: Surface
Friction Tester.
-
36
CAPITULO 3. Metodología Experimental.
3.1. Aparato de prueba.
El equipo que se utilizó para realizar las pruebas de fricción fue el equipo tipo
péndulo que se muestra en la Figura 17 a y Figura17 b que mide la fuerza de
resistencia al deslizamiento bajo la norma BS 7976-1[23] entre la goma
(deslizador) y la probeta de asfalto. Para efectuar las pruebas este se ajustó tanto
en nivel de altura para que la goma este en contacto con la superficie, y que este
nivelado con respecto a su centro, esto quiere decir que no tenga un desbalanceo.
Una vez ajustado tanto de la altura como de su centro se tiene que deslizar la
goma sobre la superficie una distancia de 126mm (normalizada), el brazo del
péndulo se balancea desde la vertical hasta el reposo. La pérdida de energía del
péndulo debido a la fricción se registra en una escala graduada. Este instrumento
es indicativo de la resistencia al deslizamiento a bajas velocidades (7.2-18 km/h) y
probé medidas para micro textura (corresponde a la textura superficial propia de la
superficie de los agregados pétreos, las cuales pueden presentar características
de tipo áspero o pulida) [24].
Figura. 17 a Péndulo de Resistencia al Deslizamiento, 17 b Diagrama de arreglo
experimental.
3.2. Probeta de Asfalto.
Las probetas utilizadas en la experimentación fueron obtenidas de la carretera
federal Tulancingo-Pirámides.(que tipo de carretera)
3.2.1 Medición de la rugosidad de la probeta de asfalto.
Se utilizó la técnica de la mancha de arena, la cual permite conocer de manera
puntual la textura superficial del pavimento asfaltico y de hormigón.
a b
-
37
Esta técnica está basada en la norma NLT-335/87 [25], la cual consiste en hacer
extender sobre la superficie de pavimento un volumen determinado de arena fina
distribuyéndola con un dispositivo adecuado que permita formar una circunferencia
lo cual nos va a permitir conocer un área como se muestra en la Figura 18, que a
partir de ese volumen se puede conocer la profundidad medida de los huecos
rellenos por la arena, valor que se utiliza como medida de la textura superficial del
pavimento.
Para este ensayo se utilizó arena silica tamizada en la malla de 80
(especificaciones de fabricante), se utilizó un volumen de arena de 5ml que
corresponden a 5000𝑚𝑚3 y el diámetro generado con ese volumen fue de
100mm. Después se procedió a calcular la profundidad mediante la siguiente
formula. Posteriormente se procedió a calcular a rugosidad con la siguiente
formula
𝐻𝑒𝑞 =40 ∗ 𝑉
𝜋 ∗ 𝐷2−−−−(6)
Agregar nomenclatura
Sustituyendo.
𝐻𝑒𝑞 =40 ∗ 5000𝑚𝑚3
𝜋 ∗ (100𝑚𝑚)2= 0.63𝑚𝑚
Figura. 18 Técnica de Mancha de Arena [25].
Este es el valor de profundidad lo que es la textura superficial de la probeta de
pavimento con la cual se realizaron las pruebas. De acuerdo con la norma con
este valor la textura del pavimento es media como lo muestra la Tabla 5.
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38
Tabla 5. Clasificación de la textura superficial del pavimento [25]
3.3Análisis de arena silica.
Para el análisis de la arena silica se procedió a tomar imágenes en el microscopio
electrónico de barrido para observar la forma de las partículas como se observa en
la Figura 19 a y Figura 19 b, para estas pruebas es recomendable que la forma de
estas no sean tan redondas y que tengas puntas en los bordes para que las
partículas se logren incrustar en la superficie del hielo y así evitar la rodadura de
las partículas. También se realizó un análisis de nanoidentacion [26] para medir la
dureza de las partículas de arena, en escala de Mohs esta presenta una dureza de
7, pero este número solo es cualitativo y representa los valores del cuarzo, los
resultados del nanoidentador se pueden observar en la Tabla 6.
Figura. 19, a Forma de partículas de arena de 176μm, 19 b forma de partículas de
arena de 1000μm.
Tabla 6. Dureza de partículas de Arena.
Textura Heq (mm)
Muy lisa Heq
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Para conocer si el tamaño de partículas de arena era controlado u homogéneo se
realizó un análisis de partícula con un equipo laser [27] para conocer el tamaño de
las partículas de arena utilizadas en estas pruebas. En la Figura 20 a y 20 b se
muestran los tamaños de partícula medidos por la técnica laser.
Figura. 20 a tamaño de partícula arena 1000μm, 20 b tamaño de
partícula arena 176μm
3.4. Análisis de Deslizadores de Goma.
3.4.1. Peso del Deslizador.
Basado en los aspectos de la norma el peso de los deslizadores de goma TRLL 30
(slider 55) el peso de estos debe de ser de 35 ±5g [28]. El peso medido con la
báscula de precisión fue de 38.55g, como se muestra en la Figura 21.
Figura. 21 Peso del Deslizador
3.4.2. Medición de Dureza del Deslizador.
En la Tabla 6 se muestra la dureza del deslizador de goma, así como la resiliencia
estas van a cambiar conforme a la temperatura como se muestra en la siguiente
tabla. La dureza mostrada en la tabla es en escala shore A, y la resiliencia es la
energía de deformación por unidad de volumen.
a b
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40
Tabla 7 Características del Deslizador [28]
Temperatura
°C
0 10 20 30 40
Resiliencia
Lüpke
43-49 58-65 66-73 71-77 74-79
IRHD Dureza 55±5 55±5 55±5 55±5 55±5
Posteriormente se corroboro la dureza del deslizador con un durómetro de escala
Shore A, el valor obtenido fie de 51 en esa escala, lo cual comparado con la tabla
anterior se observa en la Figura 22 que estamos dentro del rango. Antes de cada
prueba se hizo pasar 10 veces el deslizador sobre la lija del 400, después 10
veces sobre el papel rosa 3M.
Figura. 22 Dureza del deslizador
3.5. Condiciones de la Prueba.
Las condiciones que se simularon en las pruebas fueron las siguientes:
1) Hielo. (Agregar 100ml de agua sobre la superficie de la probeta generando
una capa de hielo aprox. Entre 4 y 5 mm de espesor) como se muestra en
la Figura 23. Este método para generar la capa de hielo es conocido como
generación de hielo pulverizado por capas de agua [5,19]
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41
Fig. 23, Medición de capa de hielo
2) Modificadores de fricción. Para esta prueba es importante determinar qué
tipo de modificador de friccion se va a utilizar tipo, para este caso se utilizó
arena silica con un tamaño de grano de 176μm tamaño de malla 80-90, y
arena silica de 1000μm que es de tamiz 20-30. Número de pruebas cuatro.
3.6. Procedimiento de la Prueba.
Para realizar las pruebas en el laboratorio es necesario que la temperatura del
ambiente este a 23(±2) °c para así poder garantizar una correcta obtención de
resultados. También es importante pesar los deslizadores que deben estar en un
rango de 35(+-5) g.
Después se tiene que instalar el péndulo desplegando las piernas de este,
colocando también el brazo, una vez colocado se tiene que nivelar el péndulo para
ello el equipo cuenta con un nivel y en las patas cuenta con tornillos para su
nivelación.
Una vez nivelado el equipo se tiene que poner a cero para esto se tiene que
ajustar la altura del brazo de modo que no tenga contacto con la superficie, esto
se logra con una perilla que está en la parte superior del equipo y se hace girar
para cambiar la altura del brazo, después se regresa el brazo a posición horizontal
para dejarlo caer, antes de que regrese se sujeta y se toma la lectura, en este
caso debe llegar cero si no es así se tiene que ajustar apretando las perillas de
ajuste que están en la parte inicial del brazo girando en sentido horario para
apretar y en sentido anti horario para aflojar. Una vez que la aguja marque cero se
debe de repetir la lectura tres veces para comprobar la misma.
En las pruebas se manejan longitudes de deslizamiento para pruebas en
carreteras de 126(±1) mm. Para las dimensiones de la probeta se considerando la
distancia de deslizamiento, la dimensión de la probeta fue de 24cm por 10cm.
Las pruebas se realizaron bajo cuatro temperaturas diferentes de la capa de hielo,
que fue a -10°C,-5°C,0°C y -1.2°C, para cada temperatura se procedió a realizar
-
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cuatro experimentos, considerando que se tenía que volver a generar la capa de
hielo, esto fue para todo el rango de temperaturas. Este mismo procedimiento se
llevó acabo con las pruebas con los dos tipo de arena, las pruebas se llevaron a
cabo bajo los mismos rangos de temperatura pero ahora añadiéndole una
cantidad de arena la zona de deslizamiento, para determinar qué cantidad de
arena distribuir sobre la superficie del hielo, se tomó como referencia que la
concentración de partículas finas de arena sobre el contacto en pistas de aterrizaje
debe de ser entre 85-95g/m2 [21], las dimensiones del deslizador se muestran en
la Figura.24 y la longitud de deslizamiento es de 126mm o 12.6cm tomando en
cuenta que el deslizador hace contacto sobre su cara más larga es decir de 7.6cm,
con estas medidas nos da un área de deslizamiento de 95.76cm2 , la cantidad de
arena utilizada fue 30g lo que nos da una distribución de arena de 0.313g/cm2 y
una capa de arena sobre la longitud de deslizamiento en el hielo aproximada de
2mm.
Figura. 24 Dimensiones del deslizador [29]
En la Figura. 25 a se muestra la probeta con hielo limpio, 25 b con la arena de
1000μm y 25 c con la arena de 176μm, distribuidas en el área de deslizamiento.
Figura. 25 a Probeta de asfalto con hielo limpio, b con arena de 1000μm, c con
arena de 176μm
a b c
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43
Por otro lado los parámetros de prueba utilizados en estos experimentos se
muestran en la Tabla 8.
Tabla 8 Parámetros de prueba
Temperatura
ambiente en
°C
Temperatura
capa de
hielo
Humedad Espesor
de capa
de hielo
Cantidad
de arena
Número
de
pasadas
20°C-23°C -10°C 20%-45% 3.5mm-
4mm
30g 4
-5°C
0°C
1.2°C
-
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CAPITULO 4. Resultados.
4.1 Resultados del Coeficiente de Fricción.
Los resultados obtenidos en las pruebas son los que se muestran en la Figura 26
y Figura 27, es importante destacar que el comportamiento del coeficiente de
fricción va relacionado con la temperatura de la probeta de asfalto, y el tamaño de
grano de las partículas de arena.
Figura. 26 Resultados coeficiente de fricción. Con dos tipos de arena y hielo limpio
Fig. 27. Resultados de Coeficiente de fricción. Con dos tipos de arena y hielo
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Los resultados de la Figura 26 y Figura 27 muestran la variación de valores en el
coeficiente de fricción tanto en los cambios de la temperatura de la probeta de
asfalto, así como también cuando se presenta los tamaños de grano de arena
diferentes en el contacto, ya que el tamaño de partícula de arena provoca
mecanismos de interacción diferentes que modifican el valor del coeficiente de
fricción con las temperaturas. El coeficiente de friccion más bajo se obtuvo en la
condición de hielo limpio mostrando que los valores más críticos del coeficiente de
fricción se presentaron a 0°C y 1.2°C. Aunado a esto, las pruebas bajo esta
condición se observa un comportamiento descendente del coeficiente de fricción.
4.2. Resultados de Mecanismos de interacción.
En la condición de hielo con arena silica de 176μm los valores más bajos en esa
condición se presentan a -10 y -5°C, incrementando estos valores de fricción en
esta condición a 0 y 1.2°C, dándonos un comportamiento ascendiente del
coeficiente de fricción. En las pruebas con arena de 1000μm se obtuvo un
coeficiente de fricción más alto, a temperaturas de entre -10°C y -5°C se
obtuvieron valores más bajos que a 0°C, en esta temperatura se obtuvo el valor
más alto de fricción, sin embargo a 1.2°C este valor disminuyo con este tipo de
arena, dándonos un comportamiento en principio ascendiente hasta 0°C, y con
una disminución después de esta temperatura.
Los mecanismos de interacción cuando hay arena en el contacto se pueden
observar en la Figura. 28 a b, Figura 28 c d, Figura 28 e f, Figura 28 g h.
Mayor adhesión de
partículas de arena
Rodadura de
partículas de arena
a
c
b
d
-
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Figura. 28 a b hielo y arena 1000μm a -10°, 27 c d hielo y arena de 1000μm a
1.2°C, 27 e f hielo y arena de 176μm a -10°C, 27 g h hielo y arena de 176μm a
1.2°C.
Las imágenes mostradas en la Figura 28, son de como interaccionó el deslizador
sobre la probeta con hielo y arena, la a b es de la arena de 1000μm a -10°C, la b
es con arena de 1000μm pero a 1.2°C, la c es de arena de 176μm a -10°C y la d
es igual arena de 176μm a 1.2°C. Así como también se puede observar cómo se
adhieren las partículas de arena sobre el deslizador a esas temperaturas, ya que
esto es importante para poder dar una discusión más acertada sobre lo que
sucede cuando entra en contacto el deslizador sobre el hielo con arena. En este
caso la temperatura también juega un papel muy importante en cuanto a la alta o
baja adhesión que tienen las partículas de arena sobre el deslizador, en algunos
casos el deslizador actúa como desplazador de las partículas de arena
provocando que estas se adhieran más al hielo que a su misma superficie, esto
también se debe al tamaño de partícula de la arena.
Menor adhesión
de arena
Generación de
lodo
e
g h
f
-
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CAPTIULO 5. Análisis y discusión.
5.1. Pruebas en hielo limpio.
Las pruebas sobre el hielo limpio arrogaron los valores del coeficiente de friccion
más bajos de un rango de 0.23 @ -10°C hasta 0.1@ 1.2°C esto es debido a la
superficie del hielo, sin embargo se observa un decremento en los valores cuando
la temperatura va aumentando, en este caso el calentamiento por fricción es un
fenómeno muy importante que se observó en estas pruebas, y debido a este
fenómeno se produce agua de deshielo lo que ocasión que el coeficiente de
fricción tienda a disminuir, después de 0°C el coeficiente adquiere valores bajos
que son de 0.12 @ 0°C y a 1.2°C se obtuvo el valor más bajo que fue de 0.1, en
algunos casos la capa de hielo presento protuberancias al momento de formarse
esto es debido a que la probeta de asfalto es permeable [30], esto quiere decir que
evacua el agua de sí misma, generando burbujas de aire que al momento de
solidificarse hace que al hilo le salgan protuberancias, como se muestra en la
Figura.29.
Figura. 29. Protuberancia en la capa de hielo
En algunos casos estas protuberancias se generaban en la zona de deslizamiento
lo que provocaba que el área de contacto entre el deslizador y el hielo se redujera,
esto generaba una modificación aleatoria del coeficiente de fricción, es decir que
podía aumentar o disminuir. Otro factor importante es que al momento de realizar
la primera prueba es decir a -10°C se genera una ligera escarcha sobre la
superficie del hielo como se muestra en la Figura 30.
Protuberancia
-
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Figura. 30. Escarcha en superficie del hielo
Esta escarcha provoca que en las primeras corridas del deslizador, se obtengan
coeficientes un poco elevados como se observa en la Figura 26 y Figura 27,
aunque para el caso de estudio se consideran bajos, esta escarcha al calentarse
con las pasadas del deslizador termina por formar agua de fusión junto con la
capa de hielo, es por eso que el comportamiento del coeficiente antes de 0°C es
un tanto alto porque a temperaturas de -10 y -5°C no hay agua de fusión en el
contacto, después de 0°C empezamos a tener esta condición que en este caso la
presencia de agua en el contacto es lo que reduce los niveles de fricción.
5.2. Pruebas con partículas de arena.
5.2.1. Pruebas con arena de 176μm.
Las pruebas con partículas de arena de 176μm muestran valores de fricción
intermedios, al ser este tipo de arena la más fina, presento características
peculiares en cuanto a su interacción con el hielo y el deslizador, los resultados
muestran que con este tipo de arena los valores coeficiente de fricción son
evidentemente más elevados que con hielo limpio, lo que es importante es el
comportamiento del coeficiente de fricción a lo largo de todas las temperaturas, ya
que a temperaturas bajas de -10 y -5°C el coeficiente de fricción es de 0.56 y 0.63
respectivamente, esto es debido a que en estos rangos de temperaturas las
partículas de arena tienen una baja adherencia en la superficie del hielo, aun así
los valores de friccion son elevados.
Escarcha
-
49
Cuando la temperatura esta en 0°C y 1.2°C el coeficiente de fricción incrementa
en valores de 0.65 y 0.66 respectivamente, esto es importante ya que se observó
que opuesto a los resultados anteriores, con este tipo de arena el coeficiente de
fricción mejora en presencia de agua de fusión, debido a que se genera un tipo de
lodo en el área de contacto como se puede observar en la Figura.27d, aunado a
esto en esta misma figura se puede observar que en el área del deslizador
también hay adhesión de partículas de arena, en este caso también puede
observarse que la superficie de la capa de hielo con esta arena tiende a tener un
pequeño rayado provocado por la forma de las partículas de arena, ya que al
hacer contacto con el deslizador estas logran incrustarse en la superficie del hielo,
y otro factor importante es la dureza de las partículas de arena ya que loran
soportar la carga del brazo del péndulo que es de 22N y no se pulverizan logrando
el efecto de rayado o rasguño sobre la superficie del hielo, como se observa en la
Figura 31.
Figura 31 Rayado en superficie del hielo
En estas pruebas debido a los mecanismos de interacción el comportamiento del
coeficiente de fricción es en aumento en presencia de agua ya que este tipo de
lodo tiene como un efecto de lija en la superficie del hielo, alterando su espesor y
su rugosidad.
5.2.2. Pruebas con arena de 1000μm.
Los resultados de estas pruebas muestran los valores del coeficiente de fricción
más elevados, este tipo de arena es una arena de tamaño intermedio en las
arenas silíceas, esto ocasiona que por su tamaño de partícula, los mecanismos de
interacción con el deslizador y el hielo sean un tanto diferentes a los de las
Rayado
-
50
anteriores pruebas y principalmente de la arena fina. Esta arena de 1000μm a
temperaturas de -10°C y -5°C presenta una mayor adhesión en la superficie del
hielo, no obstante esta adhesión de arena es baja a estas temperaturas en el
deslizador de goma como se observa en la Figura 28 a b. Debido a este
mecanismo los niveles en el coeficiente de fricción a estas temperaturas son altos
en un rango de 0.71 referido a -10°C y 0.76 referido a -5°C. Cuando la
temperatura baja hasta 0°C los niveles del coeficiente de fricción llegan a un nivel
máximo de 0.79 esto es porque a esta temperatura la arena presenta una buena
adhesión debido a su tamaño y forma ya que sucede lo mismo que en las pruebas
anteriores, la arena logra incrustarse en la superficie del hielo. Esto ocasiona a su
vez que la capa de hielo tienda a adelgazarse más rápido que con la arena de
1000μm. Después de 0°C el coeficiente de fricción decrece en niveles de 0.72
referido a 1.2°C, esto es debido a que en presencia de una mayor cantidad de
agua de deshielo, las partículas de arena no se adhieren a la superficie del hielo,
ocasionando rodadura como se muestra en la Figura 28 c d, también se observó
que las partículas de arena a esa temperatura se adherían más en el deslizador
de goma, haciéndola rodar a lo largo de la superficie de este.
Con este tipo de arena como ya se mencionó se adelgaza más rápido la capa de
hielo ocasionando que quede al descubierto la superficie de la probeta de asfalto
como se observa en la Figura.32.
Figura. 32. Adelgazamiento de capa de hielo
Al adelgazarse la capa de hielo las partículas de arena entraron en contacto con la
superficie de la probeta de asfalto, esto puede implicar una disminución en el
coeficiente de fricción debido a que ahora se tiene una lubricación sólida en el
contacto debido al tamaño de partícula de esta arena, aunque no es un coeficiente
Adelgazamiento de capa de
hielo
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51
de fricción tan bajo. La experimentación muestra el incremento en el coeficiente de
fricción al aplicar partículas de arena en el contacto, este incremento depende
singularmente del tama
