Cómo los modelos de ingeniería obsoletos obstaculizan el debate actual sobre los vehículos eléctricos y los impuestos de circulación

Apoye el trabajo de CleanTechnica con una suscripción a Substack o en Stripe.

El debate sobre el peso de los vehículos y los daños a las carreteras muestra con qué rapidez una idea simple puede ganar terreno incluso cuando la evidencia subyacente es escasa. Los comentaristas suelen llegar a la conocida afirmación de que los vehículos más pesados ​​deben ser responsables del mayor uso de las carreteras. El argumento parece razonable a primera vista y apela a una intuición básica de que más peso debería equivaler a más daño.

El problema es que la intuición es una mala guía para la ingeniería de pavimentos. La mayoría de las carreteras modernas están diseñadas para cargas por eje mucho más altas que cualquier otra flota de vehículos ligeros. Sólo los vehículos comerciales más pesados ​​llevan las aceras hasta sus límites de diseño. Los automóviles, crossovers, SUV y camionetas se encuentran tan por debajo de esos límites que sus diferencias de masa no se registran en la mayoría de los modelos de fatiga o baches del pavimento. La idea de que los vehículos eléctricos, o incluso los SUV más grandes de Estados Unidos, crean importantes daños adicionales en las carreteras porque pesan más no encaja bien cuando se compara con la investigación de ingeniería contemporánea.

Esto surgió porque recientemente publiqué sobre la disparidad entre los costos sociales de los vehículos de combustión interna y los eléctricos, llamando la atención sobre los datos de la OCDE y del Reino Unido que muestran que los vehículos ICE tienen aproximadamente tres veces los costos sociales, pero eso no significa que los vehículos eléctricos no tengan costos. Además, señalé que los impuestos a la gasolina y esquemas similares no pagan ni remotamente las carreteras, a pesar de que ésta es su intención original, ya que los impuestos típicos a la gasolina pagan sólo una quinta parte del costo del mantenimiento de las carreteras. Lo que paga las carreteras son los ingresos del gobierno general y, cuando existen, los impuestos a los usuarios. Mi propuesta era un sistema racional de pago a los propietarios de vehículos en función de la distancia recorrida cada año, aplicado a todos los vehículos de carretera en función de los costos sociales de su uso, en el que a los conductores de vehículos ICE se les cobrara tres veces más que a los vehículos eléctricos por kilómetro, y a los conductores de vehículos eléctricos también se les cobrara, con algunas variaciones sensibles para los habitantes rurales frente a los urbanos y el quintil inferior de personas con ingresos.

Varios comentaristas querían agregar daños a la carretera a la lista. Porque estaban comentando por dentro. LimpiezaTécnicaEn las páginas web de y en mi artículo, no atacaban a los vehículos eléctricos, pero claramente estaban pensando en los inflados SUV y camionetas tan comunes en los Estados Unidos, yates terrestres que empequeñecen al hombre más grande, cuyas parrillas son a menudo tan altas como una mujer de estatura promedio. Pero los daños en las carreteras no son causados ​​por vehículos personales más pesados.

Gran parte de la confusión se remonta a la Cuarta Ley del Poder. Nació de un único experimento en Illinois en la década de 1950 y ha sobrevivido mucho tiempo después de su vida útil. La prueba en carretera de AASHO midió cómo respondieron los pavimentos a los repetidos pasos de camiones en condiciones controladas. Los daños por heladas dañaron la pista de pruebas durante el estudio y los daños se atribuyeron a los camiones. El análisis estadístico en sí tuvo problemas, incluida la atribución de diferencias en la vida útil del pavimento a cargas por eje que en realidad no fueron responsables de gran parte de lo sucedido. El resultado fue una elegante ecuación que sugería que los daños en la carretera aumentan con la cuarta potencia del peso por eje. Una ecuación como esa es irresistible. Es sencillo. Parece cuantitativo. Se ha transmitido durante décadas. El problema es que estaba vinculado a condiciones locales únicas del suelo, una gama limitada de diseños de pavimento y vehículos que ya no se parecen a los que circulan hoy en día.

Las investigaciones realizadas durante la década de 1980 y después, incluido el trabajo de David Cebon en Cambridge, con quien hablé extensamente sobre este tema, dejaron claras las limitaciones. El desgaste del pavimento no se rige por una única variable. Está influenciado por factores estructurales, ambientales y dinámicos que cambian con el tiempo. La carga estática del eje es un factor, pero el daño real está fuertemente determinado por las fuerzas dinámicas de los neumáticos creadas por el comportamiento de la suspensión, la rugosidad de la superficie de la carretera, el diseño de los neumáticos y la velocidad del vehículo. La estructura del pavimento, la resistencia de la subrasante, la temperatura y la humedad cambian la forma en que las capas responden a estas cargas. La fatiga y el celo se acumulan de manera diferente según las diferentes condiciones estacionales.

Cuando los ingenieros modelan estos sistemas con herramientas modernas, ven que la Cuarta Ley de la Energía generalmente es un mal predictor del pavimento en la vida real. Como señaló Cebon en más de una conversación, si la ley fuera precisa, las carreteras de Michigan serían destruidas todos los años debido a las elevadas cargas legales de sus camiones. El hecho de que no lo sean indica la insuficiencia del modelo simplista basado en el peso.

Michigan es un excelente control en el mundo real de estos supuestos. El estado permite combinaciones de camiones con un peso bruto de hasta 164.000 libras, aproximadamente 74,4 toneladas métricas, aproximadamente el doble del límite común para los camiones Clase 8 en otros lugares. Si la cuarta escala de potencia fuera correcta, sus carreteras fallarían a un ritmo que obligaría a una repavimentación constante. Esto no sucede. La experiencia de Michigan muestra que la configuración de los ejes, la distribución dinámica de la carga y el diseño del pavimento importan mucho más que el peso bruto del vehículo. Un camión de varios ejes bien diseñado distribuye las cargas sobre el pavimento de una manera que reduce en gran medida el estrés. La red pavimentada de Michigan tiene problemas como cualquier red estatal del norte, pero los problemas no se parecen a las fallas catastróficas predichas por un modelo de cuarta energía pura.

A pesar de estas claras advertencias, la Cuarta Ley de Energía ha cobrado nueva vida durante la última década como forma de atacar a los vehículos eléctricos. Reaparece con frecuencia en debates en línea, opiniones políticas y comentarios de noticias. El argumento suele ser que los vehículos eléctricos son más pesados, por lo que deben aumentar el uso de las carreteras, por lo que los propietarios de vehículos eléctricos deberían pagar peajes más altos. El problema es que las diferencias de masa entre los vehículos eléctricos ligeros y los vehículos de combustión interna similares no producen cambios perceptibles en la vida útil del pavimento. Las cargas absolutas de los vehículos ligeros son simplemente demasiado pequeñas. La mayor parte del desgaste de las carreteras proviene de los camiones pesados, no de los automóviles o los SUV. Cuando se aplica la misma lógica a los SUV y camionetas en lugar de a los vehículos eléctricos, la conclusión sigue siendo débil porque la diferencia entre un crossover de 1800 kilogramos y una camioneta de 2400 kilogramos es trivial al lado de las fuerzas dinámicas creadas por un semirremolque completamente cargado. El mal uso de la Cuarta Ley del Poder constituye un interesante tema de conversación, pero no produce un modelo preciso de costo social.

Donde el peso sí importa es en los choques. La física es implacable. La energía cinética aumenta con el cuadrado de la velocidad. Un choque a 40 mph genera casi el doble de energía que un choque a 30 mph. A 50 mph, la potencia es aproximadamente el triple. Los vehículos más pesados ​​transportan proporcionalmente más energía cinética y transfieren más energía a cualquier cosa que choquen. Cuando un frente alto se encuentra con un peatón, las consecuencias son mucho peores que con un automóvil más bajo, incluso si las velocidades son las mismas. Los problemas de visibilidad y las distancias de frenado más largas aumentan el riesgo. El aumento del peso de los SUV y las camionetas está relacionado con el aumento de las lesiones a los peatones porque las matemáticas de la transferencia de energía dejan poco margen para un resultado diferente.

La interacción entre masa y velocidad explica por qué el riesgo se agrava tan rápidamente. Duplique la masa y aumente la velocidad en un 50% y la energía del impacto crecerá en un factor de aproximadamente 4,5. Ese multiplicador no es intuitivo, razón por la cual mucha gente subestima el peligro de los vehículos más grandes y más rápidos. El mismo problema aparece con la aceleración. Los vehículos eléctricos pueden alcanzar altas velocidades rápidamente. China se ha tomado esto en serio y ha establecido una aceleración predeterminada regulada de cinco segundos de cero a 100 kilómetros por hora para los automóviles eléctricos, con una aceleración más rápida disponible sólo después de una elección consciente del usuario. El problema no es la tecnología. Es la interacción entre masa, velocidad y tiempos de reacción humana.

Un problema relacionado es la forma de la parte delantera de muchos SUV y camionetas. Las parrillas altas y planas golpean el torso o la cabeza de una persona en lugar de las piernas, lo que elimina la posibilidad de que la parte inferior del cuerpo absorba parte del impacto mientras la parte superior rueda sobre el capó. Esa rotación es lo que a menudo previene lesiones fatales en choques con sedanes más bajos. Cuando la parte frontal está alta y vertical, la energía se entrega directamente al pecho y a los órganos vitales. La geometría también aumenta la probabilidad de que una persona sea empujada hacia adelante y hacia abajo en lugar de ser retirada, lo que aumenta la probabilidad de ser golpeada. Estas opciones de diseño reflejan el gusto cuestionable de los propietarios a quienes les gustan, pero plantean un riesgo real en entornos urbanos donde peatones y ciclistas comparten un espacio limitado con vehículos grandes que circulan a velocidades más altas.

Si los vehículos más pesados ​​no dañan significativamente las carreteras pero plantean mayores riesgos de colisión, entonces la respuesta política no está en cobrar a los usuarios de la vía en función del peso. Se basa en la gestión de la velocidad, la geometría del vehículo y la exposición. Los límites de velocidad razonables que realmente se aplican mejoran la seguridad. Eliminar las lagunas jurídicas en materia de emisiones para los SUV y camionetas grandes mejora la responsabilidad. Son importantes las pruebas de seguridad de los vehículos que incluyan posibles impactos sobre peatones y ciclistas. Un mejor diseño de las carreteras reduce los puntos de conflicto. Calmar el tráfico reduce la energía de las inevitables colisiones. Más alternativas de transporte reducen el total de kilómetros recorridos por vehículos. Estas medidas se alinean con lo que los ingenieros de seguridad vial saben sobre el riesgo en lugar de lo que los comentaristas suponen sobre la carga.

La conversación sobre la carga de los vehículos eléctricos y el costo social puede tener más fundamento cuando la distinción entre el uso de la carretera y la física de los accidentes es clara. Las carreteras no fallan porque un vehículo eléctrico pese unos cientos de kilogramos más que un automóvil de combustión interna, o cuando un SUV o una camioneta de gran tamaño las atropella. Fallan cuando las cargas dinámicas de los vehículos pesados, especialmente en pavimentos irregulares, exceden lo que la estructura del pavimento puede absorber. Las personas, por el contrario, resultan heridas o mueren cuando la masa y la velocidad de un vehículo proporcionan más energía cinética de la que un cuerpo humano puede sobrevivir. Comprender la diferencia proporciona un mejor camino para las políticas y una mejor base para evaluar qué cambia realmente la transición a la movilidad eléctrica.