Pisa el freno (6): Energía, fading y por qué los discos son mejores

Freno de disco

Llevamos ya un montón de días charlando sobre los frenos, y hasta el momento siempre hemos de fuerzas de fricción, fuerzas de frenado, etc. Pero como ya os he explicado alguna vez, en Física, todo lo que se puede explicar en términos de fuerzas, también se puede explicar usando la energía.

Por decirlo de alguna manera, «fuerzas» y «energías» son dos lenguajes diferentes. Siempre podemos traducir de uno a otro; ambos lenguajes, por si sólos, son capaces de explicar todos los fenómenos mecánicos. Pero a veces, como en los idiomas humanos, uno de ellos tiene la palabra justa para describir algo, lo que hace que sea más adecuado para explicar un fenómeno concreto.

Es decir, a veces es más fácil hablar de fuerzas. Otras veces es mejor en términos de energías. Para aprovecharnos de ello, muchas veces los físicos mezclamos ambos lenguajes, hacemos una especie de spanglish. Lo hacemos porque traducir entre ambos lenguajes es muy sencillo: una fuerza, que provoca un cambio en el valor de la velocidad, no es más que energía transmitiéndose de un cuerpo a otro.

En términos de energías, el proceso de frenado se explica de la siguiente forma. A causa de su velocidad, un vehículo en movimiento posee una gran energía cinética, que ha sido proporcionada por el motor. Si queremos detenerlo, debemos quitarle esa energía.

Freno de disco, con un disco nuevo y brillante

Como todos sabemos, «la energía no se crea ni se destruye, sino que transforma», aunque quizá sería más adecuado decir que se transfiere. Por lo tanto, la energía cinética que pierde el vehículo debe ir a alguna parte, no puede desaparecer sin más. Los frenos son los responsables de transferir esa energía que ya no queremos, a otro lugar donde no moleste.

¿A dónde va a parar esa energía? Pues, en un primer instante, es absorbida por las superficies de fricción del freno, que se calientan. Es decir, la energía cinética se ha transformado en energía térmica. Como dijimos al principio, una transferencia de energía se traduce en una fuerza, en este caso la fuerza de fricción. Que la fricción provoca que la energía se convierta en térmica es un hecho conocido por la humanidad desde que a alguien se le ocurrió frotarse las manos.

Ahora bien, si algo se calienta demasiado, sus propiedades Físicas cambian bastante. En primer lugar, aumenta su tamaño, lo que llamamos dilatación térmica. Lo que pasa después depende en gran medida del material en concreto. Algunos materiales empiezan a arder (como el papel), otros se vuelven blandos (como la madera), otros se funden (como el hierro), otros explotan (como los granos de maíz), otros se evaporan (como el líquido de frenos), etc.

La mayoría de estos cambios son más bien negativos para la frenada. Por ejemplo, imaginaos que el disco de freno de vuestro coche absorba tanto calor que llega a fundirse. Una vez fundido, el metal líquido se derrama por la carretera y os quedáis sin disco. ¿Cómo frenáis ahora? Pues contra la parte trasera de otro vehículo, probablemente.

Sin llegar a esos extremos, si los elementos del freno acumulan demasiada energía, perderán su eficacia. Y eso puede pasar tanto en las superficies de frenado en si, como en los elementos que transmiten la fuerza (por ejemplo, el líquido de frenos puede hervir). Eso es lo que se conoce como fading. Al principio hemos dicho que el frenado representa llevar la energía cinética a otro lugar donde no moleste. Pero, como hemos visto, en los frenos sí que molesta, así que no se puede quedar ahí.

Freno de disco ventilado

En este punto, por una vez, estamos de suerte, la termodinámica nos ayuda. Cualquier cuerpo que esté más caliente que su entorno perderá esa energía espontáneamente. El aire que hay alrededor de los frenos se calentará, llevándose parte de la molesta y peligrosa energía térmica que habían acumulado. Además, como el coche se está moviendo, el aire que está en contacto con los frenos cambia a cada momento, así que siempre tendremos aire fresco que continúe llevándose la energía liberada durante el frenado.

Armados con todo este conocimiento, por fin estamos dispuestos a explicar porqué los frenos de disco son más eficientes que los de tambor. Los segundos, como su propio nombre indica, están montados en una estructura cerrada, en forma del instrumento de percusión. Al ser cerrado, no permite la entrada de aire, así que la refrigeración es mucho más complicada.

En cambio, en los frenos de disco, tanto el propio disco como las pastillas están en contacto directo con el aire. Incluso se pueden practicar orificios en el plano central del disco para permitir la entrada del aire, mejorando si cabe la refrigeración. Este es lo que llamamos disco ventilado, en la imagen anterior vemos un ejemplo.

Sin embargo, con todo esto, sólo retrasamos el problema, no lo podemos evitar completamente. Un abuso prolongado de los frenos puede llevar a que se acumule demasiada energía en ellos, sin dar tiempo a que se refrigeren, produciendo el fatal fading.

Por ese motivo, es importante adaptar nuestra conducción a este hecho, si queremos que los frenos estén listos y dispuestos cuando más los necesitemos. Por ejemplo, no acelerar si vamos a tener que frenar pocos segundos más tarde, un uso adecuado del cambio de marchas. Porque, como veremos en el próximo artículo, el pedal del freno de toda la vida no es la única forma de frenar.

En Circula Seguro | Pisa el freno

Fotos | SteveintheUK, Bryn Pinzgauer, Kolossos

  • Josep Camós

    Una consultilla, Jaume. Cuando explico el fading en clase cuento lo de la transformación de la energía cinética a calor (lo digo con estas palabras, sí) y lo pongo en relación con la masa y la velocidad del vehículo (Ec=1/2mv^2) para que se entienda que si baja Ec tiene que bajar v porque m nunca va a bajar, ya que un coche no adelgaza cuando frena, y que cuanto más “pesa” un coche más le cuesta frenar y que cuanto más rápido va, mucho más le cuesta frenar. Creo que hasta aquí lo hago bien (má o meno).

    Sin embargo, siempre he resumido el fading como “la incapacidad de los frenos de seguir funcionando porque al calentarse tanto ya han alcanzado un punto en el que ya no pueden absorber más calor, con lo que se interrumpe la transformación de la energía cinética a calor y por tanto v deja de bajar”. Creo que la explicación es sencilla e inteligible por cualquier persona y de cualquier edad o nivel cultural, pero ahora, dándole un par de vueltas a tu exposición, no sé si es demasiado incorrecto. ¿Qué piensas?

    • jaume

      A mi no me parece una mala forma de resumirlo 😀

  • 50664

    Muy interesante y completos los informes, aunque quisiera comentar mi desacuerdo sobre el fading: “brake fade” refiere a una reducción en la efectividad del freno y se asocia a un exceso de temperatura, allí estamos de acuerdo.

    Sin embargo la causa más significativa del fading es la disminución del coeficiente de fricción de las pastillas (o cintas) de freno, que se debe al ablandamiento del elemento aglutinante de las mismas por temperatura.

    El coeficiente de fricción relaciona directamente la fuerza ejercida sobre el disco con la fuerza de fricción que frena el vehículo. De modo que si este coeficiente disminuye, la fuerza de fricción disponible también lo hará.

    Este efecto se evalúa por los fabricantes de elementos de fricción y algunos advierten curvas de variación con la temperatura de sus productos. En los compuestos comunes este fenómeno comienza alrededor de 250ºC e incrementa progresivamente, pudiendo reducir el poder de frenado hasta en un 30%. También existen compuestos avanzados o de competición que prácticamente no experimentan fading.

    Como decimos aquí, puesto en criollo: “el abuso del freno eleva la temperatura las pastillas, éstas se ablandan, se agarran menos y el vehículo frenará menos, requiriendo mayor distancia”

    Más allá de este detalle, felicitaciones y muchas gracias por el tremendo trabajo que se toman en mantener este portal.

    Saludos.

    • jaume

      Lo dices como si lo que explica el artículo fuera contradictorio con tu resumen. No lo es, sólo que a ti te gusta más el lenguaje de las fuerzas. Las dos explicaciones son equivalentes 😀

  • 50664

    Pues lo que no me cuadra es el responsable del fading dentro del sistema de freno.

    En el artículo leí dos veces como ejemplo de los inconvenientes del sobrecalentamiento del sistema la vaporización del líquido de freno. Sin embargo ese fenómeno es secundario, ya que puede ocurrir una vez que los elementos de fricción hayan calentado demasiado y estén tan gastados (finos) que dejen pasar tanto calor a los pistones de la mordaza y luego al líquido.

    En tanto el calor se genera en la superficie de las pastillas de freno es indiscutible que éstas calentarán primero y la resina que mantiene los compuestos unidos se ablandará, produciendo menor fuerza de frenado a igual fuerza en el pedal y desgaste prematuro. Así justificamos lo peligroso que es mezquinar a la hora de reponer los elementos de fricción. Todo un tema por sí mismo.

    • jaume

      Bueno, secundario hasta que te pase a ti :p

      Que el calor llegue hasta el líquido de frenos no significa, necesariamente, que los elementos de frenado estén ya a una temperatura superior a la que soportan. Primero porque, al contrario que el líquido, están muy bien refrigerados (es la gran ventaja de los frenos de disco). Segundo, porque la tolerancia a la temperatura del líquido de frenos puede ser muy pequeña, por ejemplo si el líquido es muy “viajo” y tiene impurezas (por ejemplo, si se ha filtrado agua).

      Imagínate que el líquido de frenos fuera agua. Muy probablemente al disco y las pastillas no les pasaría nada a 150ºC. Aunque la temperatura del agua fuera 50 grados más baja, habría hervido completamente.