Pisa el freno (5): Multiplicación de la fuerza, el servofreno de vacío

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