Una carga lateral severa sobre una rueda de bicicleta es una mala noticia. Las ruedas son resistentes a cargas radiales (verticales) y torsionales (de torsión), pero vulnerables a las laterales. Afortunadamente, las fuerzas laterales elevadas son poco comunes en vehículos de una sola vía que se inclinan en las curvas. Aun así, son la causa de la mayoría de las fallas de las ruedas y muchos aún desconocen la dinámica real.
Examinemos una carga lateral extrema y descubramos cómo responde una rueda. ¿Cómo puede una estructura tensada con arriostramientos triangulares equilibrados deformarse instantáneamente hasta adquirir la forma de una patata frita imposible de montar?
Una fuerza lateral suele provenir del contacto del neumático con el suelo, posiblemente por derrape. La carga desplaza el neumático hacia un lado, lo que, a su vez, empuja la llanta hacia un lado. La llanta resiste la fuerza con rigidez tanto a la flexión como a la torsión. La fuerza se siente en los radios de la zona inmediata.
Un radio del lado de la fuerza tiende a mantener la tensión. Un radio opuesto a la fuerza pierde tensión. La llanta no se mueve hasta que el radio del lado opuesto alcanza la tensión cero. Con tensión cero (todo en milisegundos), todas las fuerzas se equilibran y la llanta no se deforma.
Una vez que el radio del lado opuesto se deforma, la llanta comienza a moverse. Sería útil que el radio del lado de fuerza, tenso desde el principio, aumentara su tensión para resistir la fuerza. Sin embargo, debido a la baja resistencia relativa de las llantas de bicicleta, la llanta comienza a alejarse de la carga en un arco cuyo radio es el radio del lado de fuerza. La sección de la llanta oscila en el extremo del radio del lado de fuerza como un yoyó que se balancea en su cuerda dando la vuelta al mundo.
En la práctica, el radio del lado de fuerza no puede aumentar la tensión para mantener la llanta estacionaria. La llanta es demasiado elástica y oscila en lugar de mantenerse a la misma distancia del centro teórico de la rueda. En este ejemplo, la fuerza lateral es extrema y nuestra rueda presenta una pronunciada curvatura lateral en el punto de impacto. Los radios adyacentes del lado opuesto se descargan a medida que la llanta se desplaza en su dirección. Su reducción de tensión genera un empuje positivo que crea dos curvaturas que son inversas a la carga lateral. Estas "alas" también se producen junto a radios rotos.
Dependiendo de la magnitud de la fuerza lateral, la flexibilidad de la llanta y la tensión de los radios, una onda sinusoidal puede propagarse alrededor de la rueda, impulsada por la reducción de la tensión de los radios a la mitad o más. Todos los estados energéticos buscan un potencial menor. La pérdida de tensión de los radios impulsa la onda sinusoidal, doblando la llanta hasta darle la forma de una papa frita. Esto se desencadena por la extrema fuerza lateral inicial, pero el colapso final es una implosión de la estructura tensada.
Esta forma de papa frita, también conocida como pretzel o taco, es técnicamente un paraboloide hiperbólico . Puedes trazar los bordes de uno en la atracción Dumbo de Disneyland. Cuando Dumbo se balancea bajo, su brazo radial actúa como un radio que mantiene la tensión. Al balancearse alto, es lo mismo, pero como un radio del lado opuesto.
En ruedas con llantas extremadamente elásticas que no se deforman fácilmente, una rueda de patata a veces se puede reparar golpeándola lateralmente contra el suelo. Una fuerza lateral extrema inversa puede causar una onda sinusoidal que neutraliza la deformación. Es una estrategia arriesgada, pero si ves una, sabrás que era especial. Las llantas de acero y madera son mejores para esto que las de aluminio o carbono.
Si te mueves por la llanta como un insecto (o Dumbo), será evidente que la llanta está deformada a izquierda y derecha, pero también torcida. Es una deformación torsional, no simplemente de izquierda a derecha. Las llantas con gran rigidez torsional resisten mucho mejor las formas de taco. La rigidez torsional aumenta con la cuarta potencia del radio del círculo inscrito más grande que cabe en la sección de la llanta.
La llanta de arriba (de hace 15 años) puede albergar un gran círculo en su sección transversal, lo que le otorga una extraordinaria rigidez torsional. Es casi imposible torcerla en forma de taco. No es solo su pequeño interior lo que la hace resistente. Muchas llantas de fibra de carbono profundas tienen una alta rigidez torsional. Al ser empujadas por una carga lateral extrema, rebotan o se rompen. ¿Has notado cuántas de las llantas más modernas presentan un gran espacio abierto en sus perfiles? ¡Qué buen diseño!
Una rueda de taco suele presentar cuatro lóbulos, dos en una dirección y dos en la otra; uno suele ser más grande que los demás. Es lógico suponer que la carga lateral extrema se aplicó en este punto y que los otros tres lóbulos se formaron como consecuencia. Intentar centrar esta rueda es una pérdida de tiempo si la llanta ha adquirido un ajuste permanente.
Aflojar los radios revelará cuán pronunciada es la curvatura. Una vez destensados, la llanta recupera su forma original. Si necesita volver a usar la llanta (por ejemplo, en una expedición a un lugar remoto), intente enderezarla lo más posible sin tensión en los radios. Tenga mucho cuidado de no crear dobleces ni abolladuras al aplanar la llanta. Una vez aplanada, la llanta volverá a soportar la tensión de los radios y no tendrá tendencia a volver a la forma normal. Centrar la llanta sin doblarla primero hace que una estructura desequilibrada sea propensa a deformarse de nuevo.
Antes de dejar el mundo de los tacos, los pretzels y las papas fritas, observemos otra forma en que una rueda puede sufrir una deformación multilobulada: el exceso de tensión. Una llanta solo puede soportar una tensión total determinada, proporcional a su masa y forma. Solíamos fabricar una llanta favorita de 100 kgf por radio, con 36 radios. La misma llanta con 48 radios no podía soportar 100 kgf en cada radio.
Una rueda sobretensada puede deformarse repentinamente y formar un patrón ondulado. El principio es el mismo que el de las cargas laterales extremas. Dicha deformación tendrá muchos lóbulos (no solo cuatro), cada uno con pequeñas deflexiones. Si se reduce la tensión total, con suerte, la llanta podría comportarse como si nada hubiera pasado. Simplemente intentaba alcanzar un nivel de energía más bajo. En su estado ondulado, algunos radios perdieron tensión, mientras que otros la mantuvieron. El total fue menor.
Independientemente de si alguna vez realiza este tipo de rectificado, es importante comprender las fuerzas involucradas. Una rueda puede adquirir repentinamente la forma de un taco con una fuerza lateral extrema. En cámara lenta, esto comienza en un punto y una onda sinusoidal de deformación recorre la rueda, a menudo dejando una forma de taco de 4 lóbulos.
Cuando se trata de doblar y tensar metales, casi todo es reversible, así que, aunque sea poco práctico, estas ruedas se pueden reparar. Con estos principios en mente, inténtalo. Puede que no lo consigas, pero el ejercicio siempre es instructivo. La experiencia en el límite de posibilidades es lo que hace tan ingeniosos a los mecánicos de bicicletas de países en desarrollo. Perfecciona tus habilidades, ¡no dejes que se diviertan solo ellos!
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We Fix Rims Houston
noviembre 02, 2021
Great Post