[Nota: este es el número 16 de una serie de 20]
Para fabricar mejores ruedas, debemos esforzarnos constantemente por comprender mejor los sistemas neumáticos de los que dependen. Para un observador casual, y esto incluye a la mayoría de los ciclistas, la diferencia entre ruedas tubulares y ruedas de cubierta es solo triple:
(1) El tubular se une a la llanta mediante adhesivo mientras que la cubierta se sujeta con aros continuos que son más pequeños que el diámetro total de la llanta pero que se pueden colocar antes de aplicar presión de aire.
(2) La cámara interior de una tubular (o equivalente) está cosida o capturada de otra manera en el neumático, por lo que el ciclista no puede acceder a ella, mientras que una cámara interior de cubierta es una unidad completamente separada que se cambia fácilmente.
(3) Una llanta tubular pesa aproximadamente 100 g menos que una llanta de cubierta con forma y resistencia equivalentes.
Si bien esto es cierto, solo se aplica a la experiencia del conductor. La física subyacente es muy diferente, y quienes diseñan y construyen ruedas deben lidiar con ella.
Los neumáticos fueron inventados y patentados por primera vez por el escocés Robert Thomson en 1846, a la edad de 23 años. Fíjense en este tipo. Uno de los temas recurrentes en la historia de las ideas es el descubrimiento temprano de nuevos principios por parte de individuos que fueron una fuente de ideas, pero que en su época fueron poco reconocidos y no recibieron compensación, y que se anticiparon a la adopción de sus ideas en una generación o más. Thomson era uno de ellos.
La invención de los neumáticos fue, sin duda, el momento cumbre en la historia de las ruedas. De repente, la forma tan útil que sustentaba todo el transporte terrestre recibió un impulso. Más de una autoridad (JE Gordon, Structures ) declara que el neumático es un invento más importante que el motor de combustión interna. Resulta que John Dunlop fue quien aprovechó la idea, aplicando el principio del neumático a las bicicletas 46 años después de Thomson.
En un neumático tubular, la presión del aire se encuentra en una estructura cerrada: el tubo continuo de 360 grados que representa un neumático cosido. Al inflarse, el tubular intenta expandirse, rotar y adoptar un diámetro menor. Todos hemos observado este efecto al aplicar una presión considerable a un tubular que no está sobre una llanta. Esta constricción del tamaño del aro ayuda al neumático a adoptar el diámetro de la llanta. Las pequeñas irregularidades no son importantes. Es como si el neumático se moldeara a la llanta. Las tolerancias de fabricación y los estándares de diámetro para la industria de fabricantes de neumáticos y llantas son muy flexibles con este sistema. Es difícil equivocarse.
Al mismo tiempo, tenga en cuenta que la fuerza de constricción del neumático es bastante baja. El neumático tubular se deforma para adaptarse a la llanta, pero no la somete a la fuerza suficiente como para causar un cambio significativo en la estructura. Por ejemplo: con un inflado de 100 psi, una rueda tubular no pierde tensión en los radios. La llanta soporta cualquier fuerza de constricción del neumático.
El neumático de cubierta es una bestia diferente desde el punto de vista de la llanta:
(1) Forzar que el borde sea más ancho.
La cubierta se desplaza lateralmente para mantenerse en su sitio. Estas fuerzas se generan por la presión del aire. En el caso de las bicicletas, puede alcanzar hasta 100 psi. En este caso, la presión lateral es enorme. La fuerza de empuje del talón de la cubierta es proporcional al área de la carcasa.
Así como un globo se eleva debido a la presión interna ascendente sobre su forma, cuanto más grande, mejor. Las llantas más grandes están expuestas a mayor presión (libras por pulgada cuadrada), lo que resulta en mayores fuerzas laterales sobre la llanta. Por ejemplo, si quisiéramos inflar una llanta de bicicleta de montaña de 2,3 pulgadas a 100 psi, tendríamos fuerzas insostenibles en la llanta. Ninguna llanta para ciclismo ha sido fabricada para resistir esa fuerza externa. Por lo tanto, es un mundo maravilloso en el que quienes usan llantas de sección pequeña prefieren presiones altas.
A 100 psi, las llantas de cubierta se abren con suficiente fuerza como para que sus pistas de freno no sean paralelas. Compruébelo usted mismo con las pinzas: muchas llantas se ensanchan varios grados. Esto se debe a una deformación elástica, por lo que la llanta recupera su forma original al desinflarse el neumático. Sin embargo, al aumentar la presión, las pistas de freno se inclinan y la parte inferior de la llanta cambia de forma. Este cambio puede resultar en una reducción de la tensión de los radios del 20 % debido a la deformación elástica de la sección transversal de la llanta.
(2) Presión hacia adentro por el tubo inflado.
Una cubierta ejerce la presión de la cámara en contacto directo con la llanta. Una llanta de carretera promedio mide 1,27 cm de ancho y 195 cm de largo. Su superficie es de 98,5 cm². Si la presión de aire es de 100 psi, la fuerza total que siente la llanta es de 16,5 x 25,4 cm = 1740 kg. Esta fuerza de 2 toneladas intenta reducir el tamaño de la llanta y es lo suficientemente grande como para deformar elásticamente muchas llantas metálicas de más de 2,54 cm de circunferencia. Puede que no parezca mucho, pero tiene un efecto considerable y medible en la tensión de los radios. 2,54 cm de circunferencia = 0,81 cm de diámetro o 0,40 cm de radio. Esto equivale a casi una vuelta completa de la cabecilla. Imagine el efecto de aflojamiento.
(3) Fuerza constrictiva del talón del neumático.
El reciente desarrollo de neumáticos sin cámara ha propiciado la experimentación en la tolerancia de ajuste entre neumático y llanta. Anteriormente, las llantas para 700C, por ejemplo, ofrecían un asiento de talón de 622 mm de diámetro. Todos los neumáticos diseñados para este ajuste tenían diámetros de al menos 623, por lo que habría un registro útil, pero sin interferencias.
Las cubiertas tubeless específicas para cubierta están diseñadas para un ajuste con interferencia que asegura un mejor sellado del aire. He medido cubiertas tubeless que, bajo una carga de talón de 400 lb, tienen un diámetro de 621 mm. La interferencia de tal ajuste (cubierta 621 a llanta 622) significa una discrepancia en la circunferencia de 3 mm. Esto puede no parecer mucho, pero puede ascender a miles de libras de carga, especialmente si el material del talón no es elástico. Algunas cubiertas tubeless utilizan talones de carbono en lugar de Kevlar, por lo que su elasticidad es prácticamente nula. He medido la fuerza constrictora del talón de una cubierta tubeless desinflada que es mayor que las fuerzas generadas por el inflado a 100 psi. La combinación de talón apretado y carga de inflado normal es completamente nueva en neumáticos de bicicleta.
(4) La combinación de fuerzas.
Se ha observado que algunas llantas de cubierta ligeras pierden entre un 40 % y un 50 % de la tensión de los radios al montar una cubierta sin cámara. Esta combinación, la peor, de talón extremadamente apretado y presión de aire, supone una carga que las llantas tubulares jamás soñarían tener. Una cubierta tubular, al contener la presión de aire dentro de su forma de aro cerrado, no ejerce ninguna de las fuerzas de la cubierta. El mundo de una llanta de cubierta es completamente diferente al de una llanta tubular. Y esto es antes de que el ciclista se suba a la bicicleta y empiece a pedalear.
Si bien la idea de las cubiertas es atractiva, el sistema exige mucho a la llanta. Se requiere un aumento de peso del 25-30 % para soportar la tensión adicional. ¿Todo por la comodidad de montar y desmontar cubiertas? ¿Todo para reparar pinchazos en la carretera? Recuerde que la alta presión de las cubiertas pequeñas de carretera es la causa de estos problemas. MTB, BMX, CCX y otras aplicaciones de neumáticos utilizan baja presión, y las llantas de cubierta no están tan sometidas a tanta presión.
Si me sigues la pista, no es de extrañar que, en toda la industria, las cubiertas tipo clincher tengan un gran éxito en motos de cross y recreativas, carretillas, carretillas de mano y sillas de ruedas. El sistema tubeless es universal para motocicletas, coches y camiones. Sus motores son potentes y sus ruedas pueden sobrepesarse para resistir las fuerzas del tubeless.
A veces me pregunto si las bicicletas de carretera no se adaptan mejor a las tubulares. ¿O quizás exista un sistema en el futuro que pueda satisfacer las bajas exigencias de las llantas tubulares, pero sin los adhesivos ni el riesgo de quedarte tirado por un pinchazo? Sería un avance valioso.
En cualquier caso, ahora sabes más sobre las fuerzas ocultas que soportan tus llantas, además de la tensión de los radios. Diseñar y construir ruedas es un reto, pero mucho más interesante si comprendes la física subyacente.
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Overtensioner
noviembre 02, 2021
My question, that doesnt directly answer the problem of high pressure clinchers but is an argument for more tubular, is how well would a tubular with sealant work? If that system develops, people could have less stranded situations, mechanics could add more glue since tires would be changed less often, so even less problems.
Another note about clinchers and sealant, some people swear by putting sealant in high pressure clincher tubes, I know that combo is horrible in low pressure clinchers where they rarely seal (unlike with tubeless systems with sealant), but I havent tried it on HPC.