Pisa el freno (4): Transmisión de la fuerza

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