Pisa el freno (2): Principios básicos

Ahora que ya estamos convencidos de que el control seguro de todo vehículo en movimiento implica la necesidad de poder disminuir dicho movimiento en el momento deseado, podemos empezar a repasar los principios Físicos en que basan todos los sistemas de frenado. En este sentido, la ley de la inercia es clara. La única forma de que algo disminuya su velocidad es que un agente externo aplique una fuerza en dirección contraria al dsplazamiento.

Como ya dije en la primera entrega, esto es una irónica paradoja. Con todo el esfuerzo que nos costó poder disminuir la resistencia del entorno para hacer viable y soportable el transporte de larga distancia, sobre todo hasta el invento de la rueda, ahora necesitamos una forma de recuperar dicha resistencia.

La forma más obvia de conseguir que el entorno ejerza una fuerza en contra de la velocidad del vehículo es, simplemente, aumentar el contacto entre ambos. Como sabemos, siempre que exista un contacto entre dos cuerpos en movimiento relativo, aparecerá una fuerza de fricción que se opondrá a dicho movimiento. Y esta fuerza será mayor cuanto más se aprieten las superficies en contacto, si me permitís decirlo así.

El ejemplo más primitivo de esto lo podemos encontrar en un monopatín. Para frenar, simplemente ponemos un pie en el suelo. Hay que hacerlo con cierta habilidad y sin presionar demasiado el pavimento, sino la zona de contacto con el firme podría extenderse a otras partes del cuerpo, como nuestra preciosa nariz,…

En vehículos ligeramente más avanzados, en vez de una parte del conductor, tenemos una pieza que puede moverse para ponerse en contacto con el suelo. Durante el trayecto, dicha pieza permanece separada, evitando entorpecer el avance. Un ejemplo son los trineos de competición llamados bobsleigh, en que los frenos de fricción contra el hielo se activan mediante unas palancas en el interior del habitáculo. Es fácil notarlo por los jirones de nieve que levanta el trineo al frenar tras la carrera.

Sin embargo, a menudo esta solución presenta ciertos inconvenientes. Creo que no os costará entenderlos. ¿Os imagináis el asfalto de la carretera volando a trozos por el aire cada vez que queremos frenar, como el hielo de los trineos de competición? El hielo se puede reparar de forma extremadamente sencilla, basta con enfriar algo de agua. Pero el asfalto es más difícil de remplazar.

Y esto no tiene difícil solución, la verdad. Dos superficies en contacto, deslizando a cierta velocidad entre sí, se dañan mutuamente. Esto es lo que podríamos decir impepinable, no se puede evitar. Sin embargo, sí que se puede mitigar. Eligiendo cuidadosamente el material de ambas superficies podremos retrasar el daño de forma significativa. El problema es que no podemos elegir tan cuidadosamente de qué está hecho el entorno. Las carreteras ya están asfaltadas, y a estas alturas sería muy caro hacerlas de otro material.

Aquí es donde aparece una de esas ideas increíblemente buenas que nadie sabe a quien se le ocurrió (al menos, yo no lo sé). ¿Y si en vez de poner en contacto una pieza del coche con el exterior, la fricción ocurriera entre dos piezas internas del vehículo? Esta fricción interna se llevaría parte de la energía cinética, frenando el movimiento. Y como son piezas internas del vehículo, podemos fácilmente elegir de qué material las hacemos para retrasar el desgaste lo más posible. Y cuando se desgasten, simplemente las cambiamos (esto último, creo que se lo inventó un mecánico).

Un momento. El lector intrépido se habrá dado cuenta que al principio dijimos que era necesario que la fuerza de frenado sea ejercida por un agente externo al vehículo. Por lo tanto, no es posible que la fricción entre dos piezas internas detenga sea la responsable de reducir la velocidad. Pues sí, es cierto, un punto para ti intrépido lector.

La fricción interna no puede oponerse al movimiento del vehículo en su conjunto, pero sí puede oponerse al movimiento de una parte del vehículo. Y si esa parte del vehículo está en contacto con el mundo exterior, entonces ya tenemos influencia de un agente externo que puede producir el frenado.

Así que hemos llegado a otra de esas conclusiones que no os dejarán con la boca abierta, pero que en realidad tienen bastante más miga de la que parecían. Los frenos, es decir las piezas que generan fricción interna, deben estar en las ruedas, ya son las únicas piezas que están en contacto permanente con el exterior.

Por lo tanto, la idea general es la siguiente: cuando queremos reducir la velocidad, una pieza que gira solidaria a las ruedas del vehículo entra en contacto con otra pieza que está fija a la carrocería. A dos superficies que se están tocando no les gusta deslizarse una sobre la otra, por lo que aparece una fuerza de rozamiento que intenta detener el movimiento relativo. En definitiva, la fricción tiende a obstaculizar el giro de la rueda.

A causa de esto, la rueda intenta girar más lento. Recordad una cosa importante: cuando nos movemos a velocidad constante, el neumático gira con la velocidad justa para que el punto de contacto con el suelo no se mueva. Esto es lo que se llama rodar sin deslizar. Pero si ahora, a causa de la fricción producida por los frenos, la rueda intenta girar más despacio de lo necesario, y por lo tanto el pedazo de goma que está en contacto con el suelo tenderá a deslizarse hacia adelante sobre el suelo.

Pero, como hemos dicho, a dos superficies en contacto no les gusta deslizarse. Por lo tanto, para evitar que la rueda deslice sobre el pavimento, éste ejercerá una fuerza de fricción hacia atrás (en sentido contrario al movimiento incipiente). Además, esta fuerza será enorme, ya que la fricción es mayor cuando aún no ha empezado el deslizamiento (podéis notarlo al empujar un mueble, cuesta más ponerlo en marcha que mantener la velocidad). Como el suelo es un agente externo al vehículo, esta fuerza sí frenará el movimiento general del vehículo.

Es decir, el proceso de frenado involucra dos fricciones diferentes. En primer lugar, las dos partes del freno entran en rozamiento con deslizamiento (lo que en Física llamamos fricción dinámica), para reducir la velocidad de rotación de la rueda. En consecuencia, aparece una fuerza de rozamiento sin deslizamiento (fricción estática) entre el pavimento y la rueda, que es la encargada de frenar el coche.

Como veis, el problema de detener el vehículo queda reducido a tener una pieza que gire solidaria a la rueda. Y otra pieza fija en la carrocería, que entre en contacto con la primera cuando sea necesario. En el próximo artículo nos centraremos en explicar las diferentes formas en que se pueden montar estas dos piezas.

Fotos | Razvan Orendovici, The last minute, Sergis blog