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

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