En la primera parte habíamos llegado a obtener una expresión matemática que nos permitía calcular la distancia de parada técnica de un vehículo dada su velocidad, masa, fuerza de frenado, inclinación de la carretera y tiempo de reacción del conductor.

Esta es la distancia recorrida entre el instante que se percibe el primer estímulo y el momento en que el coche se detiene por completo. Por lo tanto, es la distancia mínima necesaria para evitar una colisión. Por lo tanto, nuestra obligación como conductores es adaptar nuestra conducta de forma que la distancia de parada técnica quepa toda ella en el campo de visión, de forma que percibiremos cualquier contratiempo antes de que sea demasiado tarde.

Pero, para ello, es necesario conocer qué factores afectan a dicha distancia, cosa que vamos a afrontar hoy. Recordemos la expresión que habíamos obtenido:

Empecemos por analizar el término de la distancia de detención, que es la que tiene más chicha. La parte de la distancia de reacción es sencilla de entender, lo haremos más abajo.

Lo primero que vemos es que, en la parte de abajo de la fracción, la fuerza de frenado aparece justo al lado de el término que tiene en cuenta la inclinación de la rasante. En concreto, ambos términos se suman si estamos en subida, y se restan si estamos en bajada.

Esto es lógico, la gravedad estira de todo hacia abajo con una fuerza proporcional a su masa (m g, para ser exactos). Si estamos en una subida, hacia abajo significa hacia atrás, con lo que la fuerza de gravedad se sumará a la de los frenos al intentar detener el coche.

Bueno, toda la fuerza de la gravedad no, sólo parte de ella: toda la fuerza de gravedad sólo aparecería en todo su esplendor si la carretera fuera totalmente vertical. Parece obvio que cuanto mayor sea la inclinación, más grande será la fracción de la gravedad que ayudará a la frenada. Eso es justamente lo que nos dice el seno del ángulo en esa fórmula.

Naturalmente, en bajada ocurrirá lo contrario. La gravedad empuja al coche hacia abajo, restando poder de frenado. De hecho, si los frenos proporcionan muy poca fuerza, la gravedad ganará. Por lo tanto, tendríamos una aceleración positiva, no una deceleración. Es lo que pasa cuando, en cuestas muy pronunciadas, pisamos suavemente el pedal del freno; el coche seguirá ganando velocidad. Para detenerlo, o por lo menos mantener la velocidad, será necesario aumentar la fuerza de frenado (por ejemplo, engranando una marcha más corta, aprovechando mejor el freno motor).

Otra cosa que podemos ver es que la fuerza de frenado está abajo en la fracción, dividiendo. Si la fuerza crece, estaremos haciendo una división entre un número más grande, por lo cual el resultado será menor. Es decir, cuanto mayor sea la fuerza de frenado, menor será la distancia de detención.

No es que hayamos descubierto la sopa de ajo, ¿verdad? En definitiva, todo lo que ayude a aumentar la fuerza de frenado, nos ayudará a detenernos en menos distancia. La cantidad de efectos a tener en cuenta aquí es enorme: evitar el bloqueo y/o deslizamiento de las ruedas (ABS, EPS), utilizar correctamente el freno motor, el servofreno, etc.

En cuanto a la masa, vemos que aparece dos veces en la ecuación: arriba y abajo. Si todo lo que aparece abajo ayuda a la frenada, y todo lo que aparece arriba la perjudica (aumenta la distancia), ¿qué hacemos con algo que aparece en los dos sitios?

Bueno, es cierto que aparece a ambos lados de la fracción. Pero la vez que aparece abajo, no está sola. Va sumada (o restada) a la fuerza de frenado. Por lo general, la fuerza de frenado es bastante mayor al peso del vehículo (recordad que el peso es mg), de no ser así no sería posible mantener un vehículo quieto en una pendiente.

Además, la masa que aparece abajo va multiplicada por el seno del ángulo, que será un valor muy pequeño si la pendiente es moderada. Así que en casi llano podríamos simplemente poner sin θ = 0, con lo que la masa desaparecería del piso de abajo,

Con todo esto, está claro que la masa que realmente importa es la que está arriba. Es decir, a mayor masa, más difícil será detener un vehículo (a igualdad de fuerza de frenado). Esto es vital importancia al conducir vehículos pesados, o bien al circular cerca de ellos. Y, sobre todo, es importante tenerlo en cuenta al transportar más carga de la normal, ya que las reacciones del vehículo pueden cambiar de forma importante.

Llegamos al que probablemente es el factor más importante de todos: la velocidad. Es importante, sobre todo, porque es el que más fácilmente podemos controlar. Nosotros elegimos a que velocidad circulamos, ¿no?

La velocidad aparece dos veces en la formula, pero siempre en la parte de arriba.

En primer lugar, aparece junto el tiempo de detección, fuera de la fracción. Este término aditivo da lugar a la distancia de reacción. El tempo de reacción varía mucho dependiendo de la persona y la atención que esté prestando.

El caso extremo de reacción es la salida de una carrera atlética. Los corredores están esperando la señal, y tienen perfectamente ensayados los movimientos que realizarán tras el disparo de salida. En estas condiciones tan óptimas, pueden llegar a reaccionar en poco mas de una décima de segundo.

En carretera, no tenemos ese lujo. No sabemos lo que nos vamos a encontrar, ni cuando. Y tampoco sabemos de antemano como actuar: a veces incluso no nos podemos ni creer lo que vemos. Se suele estimar entre uno y dos segundos de reacción y decisión.

Volviendo a la velocidad, la segunda vez que aparece es en la parte de arriba de la fracción, dentro de la parte de la distancia de detención. Además, aparece al cuadrado. Los cuadrados son perniciosos, ya tienden a incrementar los efectos. Por ejemplo, si de 100 a 120 sólo hay una variación del 20%; de 100² = 10 000 a 120² = 14 400 el incremento es del 44%, más del doble.

Por ello, el mejor consejo que se puede dar en seguridad vial siempre es moderar la velocidad. Por un lado, una velocidad más reducida da más tiempo para evaluar la situación y reaccionar adecuadamente (o, mejor dicho, durante el tempo necesario para ello recorremos una distancia menor).

Y, por el otro lado, moderar la velocidad reduce la distancia recorrida una vez se pisa el freno, con un efecto notablemente mayor a la velocidad perdida.

Como veis, un acto que parece tan cotidiano como pisar el freno y parar el coche está influido por buena cantidad de factores (y otro que explicamos en su día en Pisa el freno) y, por nuestro bien, es imprescindible conocerlos bien. Y espero que nuestra comprensión de todos estos factores haya mejorado un poquito después de esta serie de artículos.

En Circula seguro | Y tú ¿frenas o retienes?, Pisa el freno, La distancia necesaria para salvar tu vida (1)
Foto | Grantuking, Jellaluna

Durante la semana pasada dedicamos un par de artículos a repasar unas cuantas ecuaciones de la Física de bachillerato y aplicarlas a una reducción de velocidad. Nuestro objetivo concreto era conocer la distancia que debe existir entre dos límites de velocidad consecutivos de forma que se puedan cumplir aplicando una suave frenada.

Sin embargo, las ecuaciones que obtuvimos son mucho más generales, sirven para describir absolutamente todas las frenadas de un vehículo (y también para describir las recuperaciones de velocidad, sólo habría que intercambiar las velocidades inicial y final; pero eso lo dejaremos para otro día). Así que sería un crimen no aprovechar que tenemos todos estos conceptos frescos para enumerar todos los factores que influyen en la distancia de parada.

Recapitulemos un poco. La ecuación más general que obtuvimos es la siguiente:

Recordemos que significan todos los símbolos que aparecen en esta ecuación, y las unidades en que debemos expresarlos para obtener la distancia de parada en metros:

• v_f. Es la velocidad final después de la frenada. Hoy nos vamos a centrar en la detención total del vehículo, así que v_f = 0, y podemos directamente suprimirla de la ecuación.
• v_i. Es la velocidad inicial, antes de la frenada. Como hemos quitado la velocidad final (que es cero), esta es la única velocidad que queda en la ecuación, así que el subíndice ya no es necesario para diferenciar. Así, pues, v_{i = v} es la velocidad de crucero antes de pisar el pedal del freno. Se debe medir en metros por segundo.
• t_rec. Es el tiempo de reacción y decisión. Es decir, la cantidad de segundos que transcurren desde que recibimos el estímulo hasta que finalmente ponemos el pie sobre el pedal.
• a. Es la deceleración (o aceleración negativa) causada por la aplicación de los frenos (aquí contamos también el freno motor, diferentes fricciones, etc). Se debe medir en m/s/s (o, lo que es lo mismo, m/s²).
• g. Es la aceleración de la gravedad. Corresponde a la aceleración con la que cae un objeto que actúa únicamente la gravedad, sin ningún tipo de sustentación o fricción. En la superficie de la tierra, su valor es aproximadamente g = 9,8m/s².
• sin θ. Es el seno del ángulo que de inclinación de la carretera, positivo en subida y negativo en bajada. Para pendientes no muy grandes (hasta el 15%), el valor del seno será prácticamente idéntico al porcentaje de la pendiente dividido por cien. Para pendientes más grandes, deberemos usar la fórmula completa.

En los artículos anteriores estuvimos utilizando una aceleración de referencia que describía una cómoda deceleración. Pero ahora estamos en un caso muy diferente, queremos caracterizar la distancia necesaria para una detención total. Así que lo que queremos no es una aceleración de referencia suave, sino la máxima deceleración que los frenos nos puedan proporcionar.

Dicha deceleración se puede calcular gracias a la segunda ley de Newton, que dice que fuerza es igual a masa por aceleración. Dándole la vuelta a la frase, la deceleración causada será igual la fuerza total de frenado (sumando todos los factores: los cuatro frenos de servicio, freno motor, fricción del aire, etc.) dividida por la masa del vehículo. Con todo esto, nuestra ecuación se convierte en:

Esta fórmula consta de dos partes, que aparecen sumadas. La primera se puede interpretar como la distancia de reacción. Es decir, lo que avanzamos mientras analizamos la situación y decidimos.

La segunda parte es una complicada fracción, que en definitiva nos dice la distancia que recorremos desde que pisamos el pedal hasta que nos detenemos completamente. Es la distancia de frenado.

La suma de ambas combinaciones se suele conocer con el nombre de distancia de parada técnica. Es la distancia que recorre nuestro vehículo desde el momento en que recibimos un estímulo concreto por primera vez hasta que el vehículo está completamente detenido.

Por lo tanto, si el estímulo es un obstáculo, si se encuentra a una distancia menor a la parada técnica, entonces es imposible que nos podamos detener sin colisionar con él. Dicho de otra forma, es la distancia necesaria para salvar tu vida, y como veremos en la segunda parte, depende de un gran número de factores.

En Circula seguro | Y tú ¿frenas o retienes?, Pisa el freno, ¿Qué distancia debe existir entre límites?
Fotos | Adolfo Abalo, Mikelo

Hace un par de días, el dicharachero Morrillu nos hablaba de lo que un motero siente al entrar en el rebufo de otro vehículo. Hoy vamos a repasar muy por encima los principios Físicos que lo explican.

Morrillu se centró sobre todo en vehículos de dos ruedas, por cuatro motivos. En primer lugar, él nació con una moto entre sus piernas, así que es natural que siempre hable de ellas. Pero también hay motivos objetivos: al tener sólo dos ruedas, son esencialmente inestables (es responsabilidad del piloto equilibrar el vehículo).

Por otra parte, los vehículos pequeños, por su menor inercia (es decir, dado su reducida masa), son más sensibles a las fuerzas externas. En último lugar, al estar expuesto directamente al aire, el conductor siente en su propia piel los efectos de la aerodinámica.

Sin embargo, todo lo que vamos a explicar es bastante independiente del cuerpo físico que genera el rebufo, y del que va tras él sintiéndolo. Así que, por eso de simplificar las cosas, a efectos de esta entrega vamos a imaginarnos un simple cuerpo cúbico. Quizá en otra ocasión comentaremos un poco cómo cambian las cosas dependiendo de la formo del objeto (por eso que se suele llamar aerodinámica).

Lo primero que tenemos que recordar es que el aire está formado por una ingente cantidad de partículas (en su mayoría moléculas de nitrógeno y oxígeno) que se mueven a gran velocidad, poco menos de 2000km/h de media, en todas direcciones.

Como no puede haber dos objetos físicos en la misma posición, un cuerpo avanzando sumergido en la atmósfera, debe ir apartando todas las moléculas de aire que se encuentra a su paso. Para hacerlo, consume parte de su energía, por eso decimos que la fricción contra el aire tiende a frenar los objetos.

Estaríamos tentados a decir que, como el vehículo ha ido apartando las moléculas de aire al pasar, detrás de él ya no hay aire, sino que se produce un vacío. Pero no es la mejor forma de explicarlo, recordad que las moléculas de aire se mueven a gran velocidad, mayor que cualquier vehículo terrestre.

Y además se mueven desde y hacia todas las direcciones. Eso quiere decir que hay cierta cantidad de partículas de aire que se acercan al vehículo por detrás y, eventualmente, le darán alcance. Cuando lo hagan, colisionarán con la cara trasera del cuerpo (ese es el motivo por el que las lunas traseras siguen sintiendo la presión atmosférica).

En resumidas cuentas, detrás de un cuerpo en movimiento sí hay partículas, y bastantes. Pero la mayor parte de estas partículas se mueven hacia adelante. Lo que ha hecho el cuerpo, en su movimiento, es ir barriendo todas las partículas que se movían hacia atrás.

Dicho de otra forma, detrás del vehículo se crea una corriente de aire que viaja en la misma dirección que él, y más o menos a la misma velocidad. Esto es lo que se llama rebufo, y es fácil de observar colocando un objeto muy liviano detrás del vehículo (como una bolsa de papel, que de vez en cuando podemos ver en nuestras sucias carreteras).

Ahora bien, ¿qué pasa si otro un cuerpo se sitúa dentro de la corriente de aire generada por el primero? En este caso, sería Morrillu y su burra.

Como el primer vehículo ha barrido la mayor parte de las partículas que se movían hacia atrás, el segundo cuerpo se encontrará muchas menos en su camino. Por lo tanto, tendrá que emplear menos energía para apartarlas, experimentando una notable reducción en la resistencia aerodinámica.

Este es un efecto que se los corredores y pilotos de casi todas las disciplinas conocen y utilizan. Es lo que se conoce como ir a rueda. Desde la fórmula 1 hasta los ciclistas. Incluso los atletas de a pie pueden llegar a aprovecharse de ello en cierto sentido (en pruebas con calle libre, claro).

Además del efecto positivo del rebufo, Morrillu nos explicó que si se distancia un poco más notaba ciertas turbulencias, que pueden llegar a hacer peligrar su estabilidad.

Estas turbulencias se deben, básicamente, a que el fluido apartado intenta regresar a su sitio. En primer lugar, al verse forzado a moverse para dejar pasar el vehículo, choca contra el aire que había al rededor. Es algo que todos podemos notar en nuestra propia piel, basta con que un objeto pase a poca distancia de nosotros a gran velocidad, un vehículo o incluso una pelota. Aunque no nos toque, notaremos el choque del aire.

Pues bien, tras rebotar contra el aire de los alrededores, gran parte de las moléculas que el primer vehículo había desplazado vuelven a la zona que ocupaban antes. Esto crea una corriente que aspira el aire hacia dentro, por decirlo así.

Esta nueva corriente colisiona con la que habíamos comentado anteriormente, la que sigue el primer vehículo. Al mezclarse ambas corrientes, se forman remolinos, que llamamos turbulencias. Si otro cuerpo entra en ellos, percibirá fuerzas laterales bastante impredecibles.

Como veis, en principio el rebufo parece beneficioso. Pero no es oro todo lo que reluce, para aprovechar los efectos hay que violar uno de los principios fundamentales de la seguridad vial: la distancia de seguridad. Y si nos quedamos a una distancia intermedia, las turbulencias nos pueden jugar una mala pasada. Y, aunque parezca casi anecdótico, la triste desgracia es que realmente pasan cosas…

Fotos | Peter Huys, ThimothyJ, frielp
En Circula Seguro | El rebufo, El rebufo (1): la parte sensitiva

Todos sabemos que, viajando en autobús (de hecho, en cualquier transporte, pero en los coches privados uno no puede ir de pie), si uno no tiene la suerte de conseguir un asiento, hay que agarrarse bien para no caerse. Las inclemencias del tráfico, las curvas y la frenada ante cualquier parada provocan sacudidas en el interior del vehículo, que si uno no se sujeta firmemente pueden llevarte al suelo.

A estas alturas, todos deberíamos saber ya por qué ocurren ese tipo de sacudidas. Tiene que ver con las aceleraciones, es decir, los cambios de velocidad (y de dirección): nosotros tendemos a seguir en linea recta y velocidad constante, en ausencia de fuerzas. Si el autobús cambia de velocidad, necesitaremos un punto de apoyo que nos transmita la fuerza necesaria para que sigamos la misma aceleración que la carrocería.

Sin embargo, hay un tipo de sacudidas que no sigue exactamente este patrón. Es más, diría que cuando se produce, coge desprevenida a la mayoría de la gente (sobre todo, a personas mayores, para qué nos vamos a engañar).

La película es más o menos la siguiente. Suponemos a la señora María, que vuelve a casa después de una sesión de Aqua Gym para jubiletas, como ella misma se llama. Ha ido todo el viaje sentada, así que – listita ella – no ha tenido problemas con las sacudidas. Tan sólo se levanta doscientos metros antes de su parada, de forma que le dé tiempo de sobras para solicitar la parada y acercarse a la puerta.

Cuando nota que el conductor empieza a frenar para depositarla frente a su parada, experimenta la sensación de irse hacia adelante. Como su nieto le ha explicado algo de física, sabe que es porque sus maltrechos huesos tienden a conservar la velocidad anterior, mientras que el autobús está frenando.

No hay problema, sabe que simplemente apoyándose contra la barra que tiene justo delante de ella puede sostenerse. Sin embargo, cuando el autobús finalmente se detiene, le sorprende una sacudida inesperada hacia atrás. Según lo poco que comprendió de la explicación de su nieto, eso no cuadra. ¿Por qué ocurre?

Para entender por qué pasa, os propongo un experimento. Tomad una bandeja alargada, con las paredes lo suficientemente altas como para poder llenarla con un dedo de agua sin que se derrame.

Una vez hecho esto, inclinad ligeramente el recipiente, de forma longitudinal. Es decir, bajad unos centímetros uno de los lados cortos, levantando el opuesto.

Después, bruscamente (pero con cuidado de no salpicar), invertid la inclinación. Es decir, subid el extremo que estaba abajo, y viceversa. ¿Qué le pasa al agua? Si lo habéis hecho bien, veréis como se forma una especie de ola que va desde el extremo que ha subido hasta el que ha bajado.

Si fuerais una gota dentro del agua, esa especie de ola se notaría como una simple sacudida hacia el lado que bajaba. ¿Verdad? Pues eso es exactamente lo que ocurre en el autobús.

Al frenar, el autobús se inclina hacia adelante. El morro baja y el rabo sube. Es algo que ocurre en todos los vehículos que tienen suspensión. Lo habréis notado en vuestros coches particulares, y creo que ya hemos explicado alguna vez en este blog por qué ocurre (pero, si no os acordáis, pedid y se os explicará de nuevo, vuestros deseos son ordenes sugerencias).

Cuando el autobús se detiene finalmente, las suspensiones devuelven rápidamente la orientación normal. Al hacerlo, ocurre lo mismo que con la cubeta de agua: una sacudida hacia atrás.

El mayor peligro de esta sacudida es que uno no se la espera. Sobre todo, porque durante la frenada en si los pasajeros adoptan una postura que les impida irse hacia adelante, así que la sacudida hacia atrás les toma a contrapié. Es cuestión de recordarlo y prepararse con tiempo.

¿Hay alguna forma de evitarlo? La forma más sencilla sería no poniendo suspensiones. Pero creo que, en ese caso, nos quejaríamos todos de otras cosas. A parte de eso, la única solución es frenar suavemente, lo cual implica mayor anticipación. Y, sobre todo, liberar presión del pedal a medida que nos acercamos a la detención total, de forma que la carrocería vaya recuperando paulatinamente su orientación normal, no de golpe al final.

De hecho, lo dicho ocurre en cualquier tipo de vehículo. He puesto el ejemplo del autobús porque, al ser más largo, el efecto se nota mucho más. En un coche la sacudida se nota, pero debido a la escasa distancia con las ruedas, se nota más en sentido vertical que hacia aras.

Y, sobre todo, como en los coches particulares no viajamos de pie, ¿verdad?.... ¿¿Verdad??

Fotos | Jlmaral, Jaume

Recuerdo que cuando era pequeño me fascinaba ir con mi padre al túnel de lavado. Esas máquinas que se movían de forma extraña, peluches que multiplicaban su tamaño al girar, agua y productos químicos volando a chorro a nuestro alrededor… y lo más espectacular, el soplador final que se iba levantando a medida que pasaba el coche.

Lo que no entendía era por qué había unos señores a la salida del túnel, armados con bayetas profesionales, que nos asaltaban para acabar de secar las superficies acristaladas de nuestro vehículo, empezando por los retrovisores exteriores. Como si el soplador y la posterior evaporación natural no fueran suficiente.

Sin embargo, con el transcurso de los años lo he ido comprendiendo un poco mejor… supongo que por estudiar una carrera que se basa en entender lo que ocurre en el mundo, y sobre todo al verme en la situación de limpiar la carrocería de mi vehículo yo mismo. Si el cristal no se seca bien, cuando al evaporarse la humedad vuelve a quedar sucio.

Cuando mojamos un cristal siempre quedan multitud de pequeñas gotitas en su superficie. Más adelante explicaremos porqué, pero de momento lo aceptaremos como un hecho. No creo que os cueste creerlo, seguramente lo habréis visto muchas veces.

Estas gotas de agua son increíblemente buenas atrapando toda la suciedad del entorno: desde simple polvo, hasta residuos del escape de otros vehículos. Todas estas brozas quedan en suspensión dentro de la gota.

Poco a poco, el agua se va evaporando. Sin embargo, las partículas que habían quedado atrapadas dentro de las gotas no, por lo que quedan adheridas al cristal, dejando una mancha visible. Imagino que esto es algo que todos habréis visto de primera mano.

Si queréis hacer el experimento vosotros mismos para comprobarlo, simplemente tomar una superficie de cristal. Con un cuentagotas, crear una (o más) gotitas en su superficie. Si el vidrio que usáis es vertical, tened cuidado de no crear una gota demasiado grande, para evitar que deslice cristal abajo.

La marca que queda tras la evaporación es proporcional a la suciedad suspendida en el aire, así que si no queda marca podéis congratularos de tener la casa más limpia que los chorros del oro. En la carretera, no tenemos esa suerte, con todos esos tubos de escape expulsando horribles gases.

Pero, ¿por qué se forman gotas tan fácilmente sobre la superficie de los cristales? Aquí, el listo de la clase levantaría la mano y diría «por la tensión superficial». Pues sí, muy bien, una piruleta para ti como premio.

Las moléculas de un líquido, como el agua, sufren ciertas fuerzas de cohesión que intentan mantenerlas en su sitio. Esta fuerza es bastante débil, y no es capaz de evitar que el líquido pierda su forma. Pero debe existir, de no ser así se produciría la ebullición instantánea, incluso a muy bajas temperaturas.

En medio del fluido, cada molécula siente más o menos las mismas fuerzas en todas direcciones. Es como una partida de sogatira, si se estira por ambos lados, las fuerzas se compensan y la molécula se queda quieta. Sin embargo, en la superficie esta fuerza sólo aparece en una dirección, hacia dentro, así que esa fuerza queda descompensada.

A la naturaleza no le gusta que haya fuerzas descompensadas. Entender el motivo es muy sencillo: si existe una fuerza que no está compensada por otra, cualquier cosa que pongamos ahí sufrirá una aceleración, así que no estará en equilibrio.

Por lo tanto, lo que hace la naturaleza es disminuir tanto como sea posible la fuerza sin compensar que aparece la superficie del líquido. Y esto lo consigue, precisamente, reduciendo la superficie exterior del líquido. Por eso las gotas son esféricas, resulta que la esfera es la forma con menor superficie exterior para un volumen dado.

Ahora bien, si la gota está sobre una superficie de cristal, además de las fuerzas de cohesión interna entre moléculas, aparece una fuerza de adherencia entre el cristal y las moléculas de H₂O. Estas fuerzas se deben a puentes de hidrógeno, es decir, atracción electrostática entre las cargas positivas de los átomos de hidrógeno del agua (positivos) y los átomos de oxígeno (negativos) presentes dentro de la estructura cristalina del vidrio.

De hecho, la fuerza de adherencia entre el agua y el cristal es incluso mayor que las fuerzas de cohesión interna. Tanto es así que incluso el agua puede subir un poco por las paredes de un recipiente de cristal, lo podéis ver en los vasos llenos de agua. Este efecto es mayor en recipientes pequeños, lo que se conoce como capilaridad, pero eso es otra historia.

El caso es que como la fuerza de adherencia entre el agua y el cristal es tan grande, incluso puede llegar a soportar el peso de una gota pequeña. La fuerza total de adherencia con entre el líquido y el vidrio será proporcional a la superficie de contacto. Hay que tener en cuenta que si se duplica el radio de una gota semi-esférica, la superficie de contacto se multiplica por cuatro (dos al cuadrado), pero el volumen de la misma – y por tanto su peso – se multiplica por ocho (dos al cubo). Es decir, el peso aumenta más rápido que la superficie de contacto.

Como consecuencia de lo anterior, la fuerza de adherencia puede llegar a compensar el peso de una gota pequeña. Pero si la gota crece, su peso aumentará más rápido que la fuerza de sustentación, por lo que la gota caerá. Es algo que hemos visto todos en nuestras ventanas los días de lluvia. Se van formando miles de gotitas, hasta que una crece demasiado y empieza a deslizarse poco a poco. Al hacerlo, fagocita otras gotas, de forma que crece aún más, por lo que empieza a deslizarse más y más rápido.

Recapitulando, la tensión superficial tiende a mantener la gota cohesionada, formando una semi-esfera sobre la superficie del cristal. La fuerza de adherencia con el mismo hace que las gotas no se deslicen hacia abajo por si solas. Por lo tanto, al limpiar el coche suelen quedar multitud de pequeñas gotas a lo largo y ancho de las superficies acristaladas. Estas gotas después absorberán toda la suciedad que haya en suspensión en el aire, dejándola sobre el vidrio al evaporarse.

Así que ya sabemos porqué esos señores nos esperaban con su espléndida bayeta a la salida del túnel de lavado. Hoy en día ya no hay muchos, al menos en los pocos a los que he ido yo. Además, muchos limpiamos los coches nosotros mismos en las típicas máquinas a monedas. En ese caso, nunca está de más usar los típicos trapos de papel desechables (o, incluso mejor, trapos de tela reutilizables) para ayudar a secar los diferentes cristales. Sobre todo los retrovisores, donde el agua se evaporará mucho más lentamente debido a que quedan protegidos de las corrientes de que se forman al avanzar.

En Circula seguro | Tela de agua
Fotos | Castanias, Visualpanic, Rodrigo Gianesi

Como lo prometido es deuda, para terminar esta larga serie de artículos sobre la frenada vamos a tratar los modernos sistemas electrónicos que accionan, o desactivan, automáticamente los frenos para ayudarnos a controlar el vehículo. En concreto, de todas las siglas que hay, nos centraremos en dos: el ABS y el ESP.

En realidad, pese a que a menudo se cobran como si fueran extras separados, ambos sistemas comparten la mayor parte de su infraestructura. Desde este punto de vista, el ESP se puede considerar una mera extensión del ABS. En cualquier caso, como su finalidad es distinta aunque complementaria, nosotros los seguiremos tratando como sistemas independientes.

El ABS debe sus siglas a Anti-lock Braking System, algo así como sistema de frenado anti-bloqueo. Es decir, un sistema que evita que las ruedas del vehículo dejen de girar a la misma velocidad que el coche durante una frenada brusca. ¿Por qué es beneficioso que no se bloqueen las ruedas? Veámoslo.

Recordad que si las ruedas giran a la misma velocidad del vehículo, entonces se produce lo que se conoce como rodadura sin deslizamiento. Es decir, el punto de contacto de la rueda con el asfalto no se mueve. En estas condiciones, la fuerza de fricción entre neumático y pavimento es lo que se conoce como rozamiento estático: aparece la fuerza justa y necesaria para evitar que ambas superficies se deslicen entre si.

Pero dicha fuerza tiene un máximo, si dicho máximo se supera el rozamiento estático no da a basto y se empieza a producir el deslizamiento. Claro, si no fuera así, sería imposible arrastrar cosas. Una vez empieza el deslizamiento, la fuerza pasa a ser fricción dinámica, y entonces adquiere un valor fijo, independiente de la velocidad.

Pero el valor fijo del rozamiento dinámico es significativamente menor a la fuerza máxima de fricción estática. Esto lo podemos notar al arrastrar muebles pesados: si empezamos empujando suavemente, veremos como no ocurre nada, aún no hemos superado el umbral de la fuerza estática, por lo que ésta compensa nuestro empuje y el mueble se queda en su sitio. Al esforzarnos más aplicando mayor fuerza, finalmente el mueble se empezará a mover. A partir de entonces, nos cuesta bastante menos proseguir el movimiento, incluso es fácil conseguir una velocidad notable.

En el proceso de frenado, todo esto significa que para maximizar la fuerza de frenado entre el neumático y el pavimento, debemos evitar el bloqueo de las ruedas. Como en el Precio Justo: debemos apretar el freno tanto como sea posible, pero sin pasarnos del umbral de la fuerza estática.

Además, el bloqueo tiene otra característica negativa para la seguridad vial. Como sabemos, para controlar la trayectoria del vehículo lo que hacemos simplemente es cambiar la orientación del eje de las ruedas delanteras. Como expliqué en su día, esto se basa en que la fricción estática siempre aplica su fuerza en la dirección contraria a dónde las superficies intentan deslizarse: si el eje de rotación está girado, el deslizamiento incipiente también lo estará, lo que nos permite orientar la fuerza de fricción hacia donde queramos.

Pero si la rueda se bloquea, la fuerza de rozamiento dinámica siempre apunta en el sentido contrario al deslizamiento existente. Y, como la rueda no está girando, da igual la orientación de la misma, el deslizamiento siempre ocurre hacia adelante. Por lo tanto, la fuerza siempre está orientada hacia atrás, independientemente de lo que hagamos con el volante. Por lo tanto, con las ruedas bloqueadas, no hay dirección.

El único caso en que el bloqueo de las ruedas puede ser beneficioso es en la conducción sobre superficies muy blandas, como pueden ser nieve, tierra o barro. En este caso, el bloqueo de las ruedas cava una zanja en el firme, por decirlo de alguna forma, mejorando el frenado. En estas condiciones, el ABS aumenta ligeramente la distancia de frenado, pero por lo menos permite mantener el control del vehículo.

Con todo esto, creo que ya estamos suficientemente convencidos de que tener ABS es guay y mejora las condiciones de frenado sobre casi cualquier superficie. Veamos cómo funciona, en su versión más simple.

En cada rueda hay un sensor que mide su velocidad de rotación. El sistema funciona por comparación: si nota que una de las ruedas está sufriendo una desaceleración notable, muy superior a la del resto de las ruedas, se da cuenta que está a punto de producirse el bloqueo y entra en acción. Eso sí, el sistema debe tener algo de tolerancia, ya que en cualquier curva las cuatro ruedas giran a velocidades distintas (en coches con ESP, se puede usar el sensor del volante para calcular la diferencia de velocidad necesaria en cada rueda).

Para evitar el bloqueo de la rueda, el sistema cierra una válvula en el sistema hidráulico que aisla el freno de la rueda en cuestión del resto del circuito. De esta forma, la presión ejercida sobre el pedal deja de transmitirse. Por si no fuera suficiente, la válvula reduce la presión ejercida con ese freno. De esta forma, la rueda se ve liberada de nuevo, y la fuerza de fricción con el suelo vuelve a hacer que gire.

Entonces, el sistema sigue vigilando la rueda hasta notar que vuelve a acelerar. En ese momento, sabe que el peligro del bloqueo ha desaparecido, así que vuelve a abrir la válvula, reconectando el freno en cuestión. De esta forma, se consigue que la frenada siempre esté al rededor del punto de bloqueo, pero sin llegar a él.

En el pasado, antes del uso extendido del ABS, los conductores debían realizar todo este proceso a ojo, notando cuando se producía un bloqueo para liberar el pedal. En la práctica, el conductor más experimentado podría llegar a hacer una o dos correcciones por segundo. El ordenador del ABS más modesto puede llegar a hacer hasta quince; y además, actuando únicamente sobre la rueda que lo necesita. Y en el momento que lo necesita, probablemente mucho antes que el conductor se percate que está a punto de bloquear.

Un último comentario sobre el ABS. Cuando entra en funcionamiento, las válvulas provocan cambios de presión en el líquido de frenos, que en el pedal se sienten como una especie de martilleo. Esto es normal, no os asustéis. Se ha dado el caso de conductores que, al notar el martilleo, han levantado el pie, asustados. Si estamos realizando una frenada lo suficientemente brusca como para que salte el ABS, probablemente lo último que queremos es dejar de frenar.

Pasemos al sistema electrónico de control de estabilidad, ESP (de sus siglas en alemán; a veces ESC de sus siglas en inglés). Además de los sensores que miden la velocidad de cada rueda, el sistema tiene un sensor que mide la posición del volante, y varios sensores que miden las aceleraciones laterales del vehículo, así como sensores giroscópicos que miden el giro del vehículo.

El mecanismo de actuación consta de válvulas en el circuito hidráulico que llega a cada freno. A la práctica, se usan las mismas válvulas que en el sistema ABS, la unidad electrónica de control decide si las válvulas deben reducir la presión de frenado (para el ABS), o aumentarla (para el ESP).

Gracias al sensor en el volante, el sistema sabe hacia dónde quiere ir el conductor. Compara esa información con los datos de todos los sensores para saber si, efectivamente, el vehículo esta yendo en esa dirección. Si todo va bien, el sistema no hará nada. Pero en cuanto se hace evidente que el vehículo empieza a desviarse de la trayectoria deseada, la centralita electrónica toma cartas en el asunto y se dispone a salvar nuestro culo cuello.

La idea general es la misma que un vehículo oruga, como los que van por la nieve, o los tanques. Para girar a la izquierda, por ejemplo, estos vehículos simplemente hacen que la cadena de la derecha gire más rápido que la de la izquierda. Pues lo mismo: si el ESP piensa que debe corregir la trayectoria para que giremos más hacia la izquierda, frenará una las ruedas de ese lado para que las derechas giren más rápido.

Normalmente actuará sobre cada rueda individualmente: en el caso de un sobreviraje frenará sobre la rueda delantera del lado exterior, intentando detener la desviación del morro. En un subviraje, normalmente actuará sobre la rueda trasera interior, intentando que el vehículo pivote a su alrededor.

Igual que en el caso del sistema anti-bloqueo, el sistema puede analizar docenas de veces por segundo (en algunos casos hasta 25, según un anuncio de televisión, el del pajarito) todas las señales de los sensores, y actuar mucho antes que el conductor se percate de lo que podría haber sucedido.

Además de aplicar el freno a la rueda necesaria, el sistema puede reducir la potencia del motor. De esta forma, consigue moderar la velocidad y disminuir la aceleración que pueda agravar los derrapes. Sin embargo, esto no siempre es lo deseado, sobre todo si estamos en terrenos deslizantes, ya que el ESP cortará la aceleración al notar el deslizamiento de las ruedas. Por ese motivo, la mayoría de vehículos equipados con este sistema llevan un botón para desactivarlo, como el que podemos ver en la foto anterior.

Durante todo este mes hemos ido repasando poco a poco todos los conceptos Físicos relacionados con la frenada. Ha sido un camino largo y arduo, lo se. Pero creo que ha valido la pena. Una de las primeras cosas que uno aprende al ponerse a los mandos de un vehículo por primera vez en la vida es que detenerlo no es tan fácil como parece desde fuera. Desde que uno pisa el pedal del medio hasta que el vehículo se detienen ocurren tantas cosas diferentes que hemos necesitado ocho artículos para explicarlas.

Pese a eso, sin duda me he dejado cosas en el tintero. No dudo que me lo haréis saber en los comentarios (os invito a hacerlo). Pero, por lo menos, ahora ya sabemos un poco mejor todo lo que implica pisar el freno.

Fotos | Raimond Spekking, Razvan Orendovici, Akeg, Dweekly

Estamos llegando ya al final del paseo por el mundo del freno. Hasta ahora siempre hemos hablado de frenos mecánicos, en que la fuerza que nuestro pie aplica sobre el pedal se utiliza para generar fricción entre una pieza que gira solidaria a las ruedas, y otra que está fija en la carrocería. Pero no siempre es así, y hoy veremos unos cuantos ejemplos.

En general, podemos decir que cualquier fenómeno que se oponga al movimiento del coche puede ser considerado un freno. Independientemente de que ello se produzca a voluntad del conductor, o no.

Como decíamos al principio de este serial, el hecho que las ruedas sean redondas hace que la fricción con el suelo no se oponga al movimiento. Por eso, siempre se dice que la rueda es uno de los mayores inventos de la humanidad. Sin embargo, hay muchas otras fuentes de fricción que siguen estando ahí, y siguen frenando el movimiento.

Cuando queremos incrementar o mantener la velocidad, todas estas fuentes de fricción nos fastidian. Sin ellas, los coches consumirían muchísimo menos. De hecho, una vez alcanzada la velocidad crucero podríamos apagar el motor tan tranquilamente. Pero cuando queremos reducir la marcha, nos ayudan. Podríamos llamarlo el freno involuntario.

La forma más conocida de frenar sin frenar, por decirlo así, es el freno motor. En parte, el freno del motor también se beneficia de las fricciones internas que acabamos de comentar, pero la componente principal proviene del trabajo que los cilindros deben hacer para comprimir el aire y mover el aire. Como habremos dejado de acelerar, ya no entrará combustible que propulse de nuevo al cilindro en la fase de explosión, así que básicamente el motor pasa a ser una mera bomba de aire.

Las corrientes de aire generadas, junto con la fricción involuntaria, se llevan parte de la energía cinética del vehículo, que por lo tanto se frenará. Esto pasará siempre que no estemos acelerando, claro, pero si tenemos el embrague pisado la pérdida de energía no se transmitirá a las ruedas. Para evitar que se detenga el motor, el ralentí entrará en juego proporcionando la gasolina necesaria, pero eso es otra historia.

Como hemos dicho, durante la mayor parte del trayecto el freno motor y la fricción interna actúan contra nosotros. Pero al detenernos, nos ayuda, y seríamos unos necios si no lo aprovechamos. Simplemente dejando una marcha corta engranada, sin acelerar, el vehículo perderá parte de su velocidad sin tener que usar el freno de servicio. De esa forma, alargaremos la vida útil de los elementos de frenado y, sobre todo, reduciremos en gran medida el riesgo de fading. Si lo mantenemos fresco, el freno seguirá estando ahí cuando necesitemos frenar de verdad.

Como ventaja añadida, al reducir con el motor engranado, la propia inercia del vehículo se encarga de mantener el motor en movimiento, sin necesidad de utilizar tanta gasolina. Incluso en algunas circunstancias, la centralita del sistema llega a cortar la inyección de carburante mientras reducimos.

Llegados a este punto alguien podría preguntar «es que todos los sistemas de freno están basados en la fricción». La respuesta es que no. Muchos vehículos pesados incluyen un freno electromagnético (aunque a menudo se conoce como freno eléctrico, pero prefiero llamarlo electromagnético ya que, como veremos, el campo magnético juega un papel importante).

De una forma algo sui generis, el freno electromagnético viene a ser un motor eléctrico funcionando al revés. Básicamente, tenemos un electroimán fijado en la carrocería del vehículo, y un disco metálico que gira solidario a la rueda (llamado rotor).

Cuando el conductor activa el freno electromagnético, el electroimán genera un campo magnético, que ejerce una fuerza a los electrones del rotor. En consecuencia, dentro del rotor se crean unas corrientes eléctricas espúreas, conocidas como corrientes de Foucault (o corrientes de Eddy en el mundo anglosajón, que no les gusta dar crédito a los franceses).

Esas corrientes inducidas crean, a su vez, otro campo eléctrico que se opone al primero (esto es lo que los físicos conocemos como ley de Lenz). Ese segundo campo magnético, creado por las corrientes en el rotor, ejerce una fuerza sobre el electroimán. Por el principio de acción y reacción, también aparece una fuerza opuesta sobre el rotor. Esta es la fuerza que intenta frenar el movimiento del rotor, y por lo tanto de la rueda.

Hay que notar que la fuerza que un campo magnético ejerce sobre una carga es proporcional a la velocidad de dicha carga. Es decir, cuanto más rápido gire el rotor, mayor fuerza de frenado aparecerá. Sin embargo, eso también significa que cuando la rueda gira muy despacio apenas hay fuerza de frenado, así que seguiremos necesitando los frenos mecánicos de toda la vida. El freno electromagnético es un complemento, no un substitutivo.

Por ese motivo, el freno electromagnético es ideal para ralentizar el vehículo, para evitar que se acelere demasiado sin tener que usar el freno de servicio. Si las ruedas empiezan a girar más rápido de lo deseado, la fuerza de frenado aumentará. Pero si la velocidad no es suficiente, la fuerza de frenado automáticamente disminuye, sin que tengamos que hacer nada, permitiendo volver a la velocidad deseada.

Sin este sistema de retención, los conductores de vehículos pesados se verían obligados a usar constantemente el freno mecánico en un descenso prolongado. Como dijimos en el anterior capítulo, dicho uso continuado puede llegar a propiciar una bajada de rendimiento, el temido fading, dejando un mastodonte sin control en la carretera.

Este tipo de frenos no sólo se usan en la carretera, sino también en el transporte sobre raíles… y en las atracciones de feria, aunque en este caso suelen ser frenos lineales, como los de la fotografía a continuación.

¿Qué pasa con la energía? Pues, como siempre, se acaba empleando en calentar el freno. Cuando las corrientes eléctricas se encuentran con resistencia, lo que hacen es calentar el medio por el que circulan. Lo podemos notar fácilmente tocando una bombilla encendida. Por ese motivo, el rotor suele estar refrigerado, igual que los discos de freno usuales. Sin embargo, la temperatura no afecta demasiado a la resistencia eléctrica, así que este tipo de frenado es bastante resistente al fading (valga la redundancia).

Sin embargo, es una lástima que las corrientes generadas de esta forma se pierdan. ¿No sería posible reconducirlas y almacenarlas en una batería? Pues sí. Esta es, básicamente, la idea que hay detrás de los frenos regenerativos de los que tanto oímos, que sin duda habréis escuchado en los anuncios de coches, y en la Fórmula 1 (el sistema KERS, que podéis ver en la imagen de cabecera del artículo, que tan polémico fue el año 2009).

Básicamente, simplificándolo mucho, se basan en poner un dinamo como freno, que convierte la energía cinética de la rueda en energía eléctrica. Es, esencialmente, un sistema similar al freno electrodinámico que acabamos de describir, pero el rotor, en vez de ser una mole metálica y ya está, contiene bobinas de hilo eléctrico que canalizan las corrientes de Foucault.

Como veis, en el mundo del freno no todo es pisar un pedal para generar fricción. A veces, esa fricción ya está ahí para que la aprovechemos cuando nos sea útil. Y, otras veces, se puede frenar sin generar fricción, ya sea moviendo gases o generando corrientes eléctricas.

Con esto, prácticamente hemos acabado nuestro largo y arduo viaje al rededor del mundo del freno. Pero sería una lástima terminar sin mencionar sistemas como el ABS y el EPS, que se aprovechan de todo lo que hemos hablado sobre los frenos para accionarlos, o desactivarlos, automáticamente ayudándonos a controlar el vehículo. Eso es lo que haremos en la siguiente, y última, entrega de esta serie.

Foto | Geni, mercuryvapour, Stefan Scheer

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.

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.

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.

Fotos | SteveintheUK, Bryn Pinzgauer, Kolossos

En el anterior episodio explicamos el sistema hidráulico que la práctica totalidad de los vehículos modernos utilizan para transmitir la fuerza que nosotros, humildes conductores, aplicamos sobre el pedal hasta los frenos.

Pero como somos eso, humildes humanos, la fuerza que podemos aplicar es limitada. Además, nos es muy incómodo tener que hacer mucha fuerza a menudo. Y, por lo tanto, la capacidad de frenado de nuestro vehículo, por muy buenas que las superficies de fricción, siempre estará limitada por el factor humano. Por este motivo, es bueno contar con sistema de multiplicación de la fuerza neumática que llega a los frenos.

Sin duda, existen muchos dispositivos que nos ayudan a multiplicar la fuerza de frenado. Y con el avance de la ciencia y la técnica, cada vez tendremos más, y mejores. Pero sin duda, el primer dispositivo que a todos nos viene a la cabeza es el servofreno de vacío.

Como su propio nombre indica, el servofreno se basa en almacenar vacío, y usarlo de forma inteligente en el momento en que pisamos el pedal Para entenderlo mejor, empecemos por repasar el concepto Físico de la presión creada por un gas.

Los gases, como por ejemplo el aire, están compuestos por partículas que se mueven libremente a velocidades enormes. Por ejemplo, las moléculas de nitrógeno del aire que nos rodea a unos 25ºC se mueven, de media, por encima de los 1800km/h. Pero como se mueven en todas direcciones, es decir hay la misma cantidad de ellas moviéndose a derecha que a izquierda, no notamos un movimiento neto del aire.

Cuando una de estas moléculas del aire colisionan contra un cuerpo sólido, le pega un pequeño empujón. Es decir, le aplica una pequeña fuerza. Dado lo inmensamente pequeñas que son las partículas, la masa de una molécula de nitrógeno es aproximadamente 2 · 10²⁵ veces inferior a un kilo (es decir, un dos seguido por veinticinco ceros), parecería que estas colisiones deberían producir un efecto insignificante. Pero hay tantas partículas en el aire que el efecto acumulado puede ser impresionante. Pensad en los efectos de un huracán, por ejemplo.

Naturalmente, cuanto mayor sea el cuerpo sólido en cuestión, recibirá más colisiones. Es decir, la fuerza total ejercida por el aire será proporcional a la superficie del cuerpo sólido. A menudo, no nos importa esa fuerza total, sino la razón que existe entre ella y la superficie del objeto. Eso es lo que recibe el nombre de presión.

Para que os hagáis una idea, la presión atmosférica es tal que, sobre un cuadrado de un centímetro de lado, aplica una fuerza equivalente al peso de 1kg. Por ejemplo, mi mano mide aproximadamente 10 × 15cm (es relativamente pequeña para un hombre adulto, lo sé); su superficie es de 150cm². Por lo tanto, la presión atmosférica equivale a llevar 150kg sobre la palma de mi mano.

No obstante, las partículas del aire también colisionan en el dorso de mi mano. Hay más o menos la misma cantidad de colisiones por ambos lados. Por lo tanto, no hay fuerza neta. Si no fuera así, sería enormemente costoso mover las manos.

Sin embargo, esto nos enseña que si somos capaces de conseguir que no haya aire a un lado de un cuerpo, la presión atmosférica del otro lado ejercerá una enorme fuerza. Así es como funcionan las ventosas, por ejemplo.

Volviendo al servofreno, funciona aprovechando precisamente este fenómeno (claro, sino no os lo habría explicado). La pieza principal del servofreno de vacío es un diafragma. Cuando el pedal de freno no está pisado, se hace el vacío a ambos lados del mismo. Es decir, se reduce la cantidad de moléculas de aire que golpean sobre él. Como la reducción es la misma a ambos lados, las presiones son iguales, no hay fuerza neta y el diafragma se queda en su sitio.

Al pisar el pedal, se deja entrar algo de aire a uno de los lados del diafragma. La presión aumentará de ese lado, provocando que haya una fuerza neta sobre el diafragma. El conductor no ha necesitado hacer un esfuerzo muy grande, apenas el suficiente para abrir la entrada del aire atmosférico a la cavidad del servofreno, pero como la presión atmosférica es muy grande, con un diafragma de apenas unos cuantos centímetros de diámetro conseguimos una fuerza enorme. Esa es la fuerza que se transmite al circuito hidráulico que acciona los frenos.

Cuando se suelta el pedal, se cierra la entrada de aire y se vuelve a hacer el vacío. Entonces, unos muelles se encargan de que el diafragma vuelva a su sitio, liberando el freno.

De esta forma, simplemente generando un vacío (o, al menos, una zona de muy baja presión) y almacenando dentro del servofreno hasta que decidamos pisar el pedal, podemos multiplicar la fuerza que llega a las superficies de frenado. Ahora, el problema radica únicamente en pensar cómo generamos dicho vacío.

Resulta que no hay que ir muy lejos para encontrar una forma de generar bajas presiones dentro del coche: el propio motor lo hace constantemente. Concretamente, en la fase de admisión.

En un motor de cuatro tiempos basado en el ciclo Otto (lo que solemos llamar “motor a gasolina”), lo primero que ocurre es que la mezcla de combustible y oxígeno entra en el cilindro. ¿Y cómo entra? Pues simplemente, se abre una válvula mientras el pistón desciende dentro del cilindro.

Al descender, el pistón aspira la gasolina que hay en el colector de admisión. Es algo similar a lo que ocurre al estirar el pistón de una jeringuilla. De nuevo, esto es un efecto de la presión. Al aumentar el espacio dentro del cilindro, las moléculas tienen que recorrer mayor distancia hasta colisionar con el pistón. Y, por lo tanto, hay menos colisiones por unidad de tiempo. En consecuencia, la presión disminuye.

Precisamente, lo que queríamos para el servofreno era una zona de bajas presiones. La admisión del carburante genera bajas presiones, tanto dentro del cilindro como en el colector de admisión. El servofreno se conecta al colector con una válvula de una sóla dirección. De esta forma, el aire del interior del servofreno puede salir, aspirado por los cilindros, pero la gasolina no puede entrar.

Además, cuando frenamos normalmente dejamos de acelerar. En consecuencia, se cierra la válvula de mariposa, haciendo que no entre más gasolina al colector de admisión. Pero los cilindros siguen aspirando su contenido (en un motor de cuatro cilindros, en cada instante de tiempo hay un cilindro que está en fase de admisión). Es decir, los cilindros siguen aspirando el contenido del colector, pero no hay mayor entrada.

En consecuencia, el colector queda vacío, con una presión muy baja, que podemos aprovechar para crear mayor vacío en el servofreno. Es algo bastante conveniente, ya que para pisar el pedal del freno debemos dejar de acelerar (no creo que muchos de vosotros hagáis el punta-tacón por la calle para pisar ambos pedales).

Esto tiene un importante inconveniente. El servofreno sólo funciona si el motor está encendido. Si alguna vez habéis encendido el motor del coche con el freno pisado, notaréis como la resistencia del mismo disminuye muchísimo. De hecho, casi parece que se hunda sólo. No es más que la admisión de los cilindros aspirando el aire del servofreno.

Por desgracia, esto sólo funciona en los vehículos de gasolina. Los diésel no tienen válvula mariposa (el flujo de entrada a los cilindros es regulado directamente por los inyectores). Por lo tanto, los vehículos diésel tienen que utilizar una simple bomba para generar el vacío en el servofreno. Los resultados son los mismos, claro, pero la bomba consume algo de energía.

Con esto, ya hemos visto como conseguir que la fuerza que aplicamos sobre el pedal llegue al freno, y además lo haga amplificada mediante el uso inteligente de una diferencia de presiones. Pero con esto no hemos llegado al final de nuestro periplo por la física del frenado, ni mucho menos. En la próxima entrega haremos un análisis de qué ocurre con la energía al frenar, lo cual nos llevará a explicar porqué los frenos de disco son más eficientes que los de tambor, entre otras cosas.

Fotos | Ildar Sagdejev, Freddy the boy, Bielasko

Continuamos nuestro viaje turístico por el mundo del frenado. En nuestra anterior parada (nunca mejor dicho) vimos los diferentes mecanismos por los que puede actuar un freno.

Vimos que, pese a que los detalles concretos en cada caso varían, este tipo de sistemas de reducción de velocidad se basan en aplicar fricción mecánica entre algo que gira solidariamente con las ruedas, y una pieza fija en la carrocería (dejaremos para más adelante un breve resumen sobre sistemas de frenado que no son mecánicos).

En general, la fuerza de fricción entre dos cuerpos sólidos aparece siempre que sus superficies estén en contacto y se desplazan la una sobre la otra (también existe una fricción estática entre dos superficies en contacto sin movimiento relativo, pero que intentan ponerse en movimiento; sin embargo, ese es un fenómeno algo distinto que no nos importa hoy).

Además, dicha fuerza es mayor cuanto más presionadas estén ambas superficies. Por lo tanto, para aumentar la eficacia del frenado, lo que necesitamos hacer es aplicar una fuerza sobre los elementos de frenado que intente aplastarlos entre si. Y cuanto mayor sea esta fuerza de contacto, mejor.

Por supuesto, la fuerza que pone en contacto las superficies de frenado debe provenir del conductor, que es quien decide cuando, y cuanto, frenar. Ahora bien, el conductor no está en disposición de salir del coche, ponerse debajo de él y apretar las pastillas de freno contra los discos manualmente. Debe haber un mecanismo que transmita la fuerza del conductor hasta el sistema de frenado, y eso es de lo que vamos a hablar hoy.

La primera solución que se nos puede ocurrir es una simple varilla rígida, como la utilizada en el antiguo freno de cuchara de la imagen que justo encima de este párrafo. El principal problema es que las varillas son buenas transmitiendo fuerzas en línea recta. Para conseguir “girar” la fuerza, por decirlo así, es necesario montar complicados y delicados mecanismos con pivotes.

La solución sería utilizar una varilla que no fuera del todo rígida, y que por lo tanto se pudiera doblar según sea necesario. Es decir, un cable metálico. Ahora bien, si tomamos un cable y lo estiramos por uno de sus extremos, lo primero que hará el cable será intentar ponerse en línea recta. Además, si en vez de estirar lo empujamos, esa fuerza no se transmitirá; el cable se doblará y listo.

La solución es embutir el cable dentro de una carcasa o armadura que lo guíe. Al estirar un extremo o empujar, la estructura de la carcasa impedirá que el cable cambie su forma, haciendo que la fuerza se transmita íntegramente al otro extremo. Naturalmente, si la carcasa no estuviera fija, el cable interior la arrastraría, por lo que debemos fijar la armadura un poco antes de cada extremo. Los últimos centímetros del cable se dejan al desnudo, para facilitar el anclaje con la pieza que debe mover.

Esto lo que llamamos cable Bowden. E estamos más que acostumbrarlo a verlo en los frenos de bicicleta modernos. En automoción, prácticamente ya no se usan en el sistema de freno (excepto en el freno de mano), pero siguen teniendo otros usos, como por ejemplo el acelerador (que es lo que podemos ver en la imagen que encabeza este texto).

Hoy en día la mayoría de vehículos modernos utilizan un sistema hidráulico para transmitir la fuerza de frenado. Tiene dos ventajas. En primer lugar, además de transmitir la fuerza aplicada sobre el pedal, permite multiplicarla. En segundo lugar, el sistema hidráulico permite distribuir la fuerza equitativamente entre todos los frenos, sin tener que hacer complicados ajustes entre diversos cables. Vamos como funciona.

El líquido hidráulico (podemos pensar que es agua, aunque en la actualidad se utilizan compuestos derivados del grupo alcohol, como por ejemplo el poliglicol, debido a que aguantan mayores temperaturas sin hervir) tiene la característica de que es muy poco compresible, es decir, por más que le apliquemos presión su volumen total (casi) no cambia. Puede cambiar de forma para adaptarse a la geometría del recipiente, pero siempre ocupará el mismo volumen total.

Presionando el pedal del freno, movemos un pistón que desaloja parte del líquido hidráulico contenido en un cilindro. Pero como el volumen del líquido debe seguir siendo el mismo, el líquido desalojado debe ir a otra parte. Para eso, si no hay burbujas de aire en todo el circuito, debe empujar alguna pared de su recipiente para hacerse sitio; y naturalmente empujará la pared que ofrezca menor resistencia.

Los dispositivos hidráulicos se diseñan de forma que esa pared móvil sea otro pistón situado en otro cilindro. En el caso del freno, dicho pistón está unido a los elementos de frenado, y por lo tanto al moverse hace que las superficies entren en contacto, produciendo la deseada fricción.

Si tanto el cilindro primario (el que está en el pedal) como el secundario (junto al freno) tienen el mismo diámetro, ambos pistones se desplazarán la misma distancia, y la fuerza también será igual. Sin embargo, si el cilindro secundario es mayor que el primario, el segundo pistón se desplazará una distancia menor. El motivo es el mismo por el que la misma cantidad de agua alcanza menor altura en un baso ancho. Todo el líquido que sale del primer cilindro tiene que entrar en el segundo, por lo que si éste es mayor, su pistón necesitará retirarse una distancia menor para ceder el mismo volumen.

Es decir, la misma cantidad de agua necesita empujar segundo cilindro una distancia menor. Por lo tanto, le será más fácil empujarlo. Dicho de otra manera, la fuerza sobre el segundo pistón será mayor. Esto es lo que conocemos como principio de Pascal, que dice así: «toda presión ejercida sobre un fluido incompresible se transmite por igual a todos los puntos de dicho fluido».

Recordad que la presión es igual a la fuerza total, divida por la superficie de aplicación. Si la superficie del segundo pistón es mayor, para mantener la misma presión hará falta una fuerza proporcionalmente mayor. De esta forma, simplemente controlando el tamaño de los cilindros, podemos multiplicar la fuerza ejercida sobre los frenos.

Además, como la misma presión llega a todos los puntos del circuito hidráulico, basta con conectar todos los frenos al mismo circuito para conseguir que la frenada sea perfectamente equilibrada.

Como contraprestación a la multiplicación de la fuerza (nada sale gratis en Física), el pistón primario debe recorrer una distancia mayor. Eso quiere decir que, para obtener multiplicaciones muy grandes, necesitaríamos tener un pedal de freno de largo recorrido, lo cual podría llegar a ser incómodo. Por ese motivo, virtualmente todos los vehículos modernos incluyen otro sistema de multiplicación: el servofreno. Dedicaremos la siguiente entrega, precisamente, a explicar sus principios básicos.

Fotos | Scott Ehardt, Jean-Erik Finnberg, Ibjoe, KDS4444