Cómo funcionan los frenos

El diseño de un sistema de frenos típico. Ver más fotos de frenos.

Todos sabemos que presionar el pedal del freno hace que un automóvil se detenga. Pero, ¿cómo sucede esto? ¿Cómo transmite su automóvil la fuerza de su pierna a sus ruedas? ¿Cómo multiplica la fuerza para que sea suficiente para detener algo tan grande como un automóvil??

Cuando pisa el pedal del freno, su automóvil transmite la fuerza de su pie a sus frenos a través de un líquido. Dado que los frenos reales requieren una fuerza mucho mayor de la que podría aplicar con la pierna, su automóvil también debe multiplicar la fuerza de su pie. Lo hace de dos formas:

• Ventaja mecanica (apalancamiento)
• Multiplicación de fuerza hidráulica

-Los frenos transmiten la fuerza a los neumáticos mediante fricción, y los neumáticos transmiten esa fuerza a la carretera también mediante la fricción. Antes de comenzar nuestra discusión sobre los componentes del sistema de frenos, cubriremos estos tres principios:

• Apalancamiento
• Hidráulica
• Fricción

Discutiremos el apalancamiento y la hidráulica en la siguiente sección.

Contenido

1. Apalancamiento e hidráulica
2. Fricción
3. Un sistema de frenos simple

El pedal está diseñado de tal manera que puede multiplicar la fuerza de la pierna varias veces antes de que la fuerza se transmita al líquido de frenos..

-En la siguiente figura, se aplica una fuerza F al extremo izquierdo de la palanca. El extremo izquierdo de la palanca es dos veces más largo (2X) que el extremo derecho (X). Por lo tanto, en el extremo derecho de la palanca está disponible una fuerza de 2F, pero actúa a lo largo de la mitad de la distancia (Y) que se mueve el extremo izquierdo (2Y). Cambiar las longitudes relativas de los extremos izquierdo y derecho de la palanca cambia los multiplicadores.

La idea básica detrás de cualquier sistema hidráulico es muy simple: la fuerza aplicada en un punto se transmite a otro punto usando un fluido incompresible, casi siempre un aceite de algún tipo. La mayoría de los sistemas de frenos también multiplican la fuerza en el proceso. Aquí puede ver el sistema hidráulico más simple posible:

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Sistema hidráulico simple

En la figura anterior, dos pistones (que se muestran en rojo) se colocan en dos cilindros de vidrio llenos de aceite (que se muestran en azul claro) y se conectan entre sí con una tubería llena de aceite. Si aplica una fuerza hacia abajo a un pistón (el izquierdo, en este dibujo), entonces la fuerza se transmite al segundo pistón a través del aceite en la tubería. Dado que el aceite es incompresible, la eficiencia es muy buena: casi toda la fuerza aplicada aparece en el segundo pistón. Lo mejor de los sistemas hidráulicos es que la tubería que conecta los dos cilindros puede tener cualquier longitud y forma, lo que le permite serpentear a través de todo tipo de elementos que separan los dos pistones. La tubería también se puede bifurcar, de modo que un cilindro maestro pueda accionar más de un cilindro esclavo si lo desea, como se muestra aquí:

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Cilindro maestro con dos esclavos

La otra característica interesante de un sistema hidráulico es que facilita bastante la multiplicación (o división) de fuerzas. Si ha leído Cómo funciona un bloqueo y entrada o Cómo funcionan las relaciones de transmisión, entonces sabrá que cambiar la fuerza por la distancia es muy común en los sistemas mecánicos. En un sistema hidráulico, todo lo que tiene que hacer es cambiar el tamaño de un pistón y cilindro en relación con el otro, como se muestra aquí:

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Multiplicación hidráulica

Para determinar el factor de multiplicación en la figura anterior, comience por observar el tamaño de los pistones. Suponga que el pistón de la izquierda tiene 2 pulgadas (5,08 cm) de diámetro (1 pulgada / 2,54 cm de radio), mientras que el pistón de la derecha tiene 6 pulgadas (15,24 cm) de diámetro (3 pulgadas / 7,62 cm de radio). . El área de los dos pistones es Pi * r². El área del pistón izquierdo es por tanto 3,14, mientras que el área del pistón de la derecha es 28,26. El pistón de la derecha es nueve veces más grande que el pistón de la izquierda. Esto significa que cualquier fuerza aplicada al pistón del lado izquierdo saldrá nueve veces mayor en el pistón del lado derecho. Entonces, si aplica una fuerza hacia abajo de 100 libras al pistón izquierdo, aparecerá una fuerza hacia arriba de 900 libras a la derecha. El único inconveniente es que tendrá que presionar el pistón izquierdo 9 pulgadas (22,86 cm) para levantar el pistón derecho 1 pulgada (2,54 cm).

A continuación, veremos el papel que juega la fricción en los sistemas de frenos..

Fuerza de fricción versus peso

-La fricción es una medida de lo difícil que es deslizar un objeto sobre otro. Eche un vistazo a la siguiente figura. Ambos bloques están hechos del mismo material, pero uno es más pesado. Creo que todos sabemos cuál será más difícil de empujar para la excavadora..

Para entender por qué es así, echemos un vistazo de cerca a uno de los bloques y la tabla:

Debido a que la fricción existe a nivel microscópico, la cantidad de fuerza necesaria para mover un bloque dado es proporcional al peso de ese bloque..

Aunque los bloques se ven lisos a simple vista, en realidad son bastante rugosos a nivel microscópico. Cuando colocas el bloque sobre la mesa, los pequeños picos y valles se aprietan y algunos de ellos pueden soldarse. El peso del bloque más pesado hace que se aplaste más, por lo que es aún más difícil deslizarlo..

Los diferentes materiales tienen diferentes estructuras microscópicas; por ejemplo, es más difícil deslizar caucho contra caucho que deslizar acero contra acero. El tipo de material determina la coeficiente de fricción, la relación entre la fuerza requerida para deslizar el bloque y el peso del bloque. Si el coeficiente fuera 1.0 en nuestro ejemplo, entonces se necesitarían 100 libras de fuerza para deslizar el bloque de 100 libras (45 kg), o 400 libras (180 kg) de fuerza para deslizar el bloque de 400 libras. Si el coeficiente fuera 0.1, entonces se necesitarían 10 libras de fuerza para deslizarse hacia el bloque de 100 libras o 40 libras de fuerza para deslizar el bloque de 400 libras..

Entonces, la cantidad de fuerza que se necesita para mover un bloque dado es proporcional al peso de ese bloque. Cuanto más peso, más fuerza se requiere. Este concepto se aplica a dispositivos como frenos y embragues, donde se presiona una almohadilla contra un disco giratorio. Cuanta más fuerza presione la almohadilla, mayor será la fuerza de frenado.

Coeficientes

-Una cosa interesante acerca de la fricción es que generalmente se necesita más fuerza para soltar un objeto que para mantenerlo deslizándose. Hay un coeficiente de fricción estática, donde las dos superficies en contacto no se deslizan entre sí. Si las dos superficies se deslizan entre sí, la cantidad de fuerza está determinada por la coeficiente de fricción dinámica, que suele ser menor que el coeficiente de fricción estática.

Para un neumático de automóvil, el coeficiente de fricción dinámica es mucho menor que el coeficiente de fricción estática. El neumático del automóvil proporciona la mayor tracción cuando la zona de contacto no se desliza con respecto a la carretera. Cuando se desliza (como durante un derrape o un desgaste), la tracción se reduce considerablemente.

Antes de entrar en todas las partes de un sistema de frenos de automóvil real, veamos un sistema simplificado:

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Puede ver que la distancia del pedal al pivote es cuatro veces la distancia del cilindro al pivote, por lo que la fuerza en el pedal aumentará en un factor de cuatro antes de que se transmita al cilindro..

También puede ver que el diámetro del cilindro de freno es tres veces el diámetro del cilindro del pedal. Esto multiplica aún más la fuerza por nueve. En conjunto, este sistema aumenta la fuerza del pie en un factor de 36. Si pones 10 libras de fuerza en el pedal, se generarán 360 libras (162 kg) cuando la rueda apriete las pastillas de freno..

Hay un par de problemas con este sencillo sistema. ¿Y si tenemos un fuga? Si es una fuga lenta, eventualmente no quedará suficiente líquido para llenar el cilindro de freno y los frenos no funcionarán. Si se trata de una fuga importante, la primera vez que aplique los frenos, todo el líquido saldrá por la fuga y tendrá una falla total en los frenos..

El cilindro maestro de los automóviles modernos está diseñado para hacer frente a estas posibles fallas. Asegúrese de consultar el artículo sobre cómo funcionan los cilindros maestros y las válvulas combinadas, y el resto de los artículos de la serie de frenos (consulte los enlaces en la página siguiente) para obtener más información..

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