Viru+: El sistema de frenado de un Formula 1 (Parte II)
12 abr 2015  
frenos carbono Audi

Continúo con la viru+ que comencé sobre el sistema de frenado de un Formula 1. Si quieres volver a leer o aún no has leído la primera parte, pincha aquí.

Ya comenté de que material se hacen los discos y pastillas de freno y las razones por las que se escoge el compuesto llamado carbono-carbono. Te sigo contando más curiosidades sobre la frenada de un Formula 1, aunque seguramente hayas oído o leído sobre muchas de ellas.

Una de las razones de la gran capacidad de frenada de un Formula 1 es la carga aerodinámica que genera. Sabes que a mayor carga aerodinámica, también se genera mayor resistencia al avance. Esto es algo inherente a todo vehículo que avanza a través del aire, pero en un monoplaza de F1 se vuelve más crítico aún debido al uso de los alerones para generar carga aerodinámica. Esto hace que el aire al atravesar el monoplaza, a velocidades superiores a 200 km/h, frene mucho el avance del mismo. Supone mayor capacidad de deceleración cuanto mayor es la velocidad del monoplaza. Pongo una imagen a continuación que explica este razonamiento.

McLaren-Honda MP4-30

Aquí tienes el McLaren MP4/30 de este año. Como observarás hay dos elementos principales encargados de generar carga aerodinámica, estos son alerón delantero y trasero. Si observas bien la imagen, sobre todo el ala trasera, verás que parece casi una pared. Esto genera mucho drag o resistencia aerodinámica, pero conforme el piloto frena y el coche pierde velocidad, esta carga aerodinámica y ese freno aerodinámico van disminuyendo. ¿Por qué te cuento esto? Durante el desarrollo de un GP observarás muchas blocadas de rueda (ruedas delanteras en su inmensa mayoría). Esto es debido a que conforme disminuye la velocidad, disminuye la carga aerodinámica y, por tanto, disminuye también la carga aplicada sobre las ruedas. Hay más posibilidades de blocar a baja velocidad que a alta velocidad. Así que los pilotos aplican toda la presión de frenado al iniciar la frenada (pegán un pisotón al freno) y luego van graduando la frenada conforme se acercan al apex de la curva (el apex es el punto por donde pasa la tangente a una curva).

Te conmenté en la anterior viru+ que un freno es una máquina que transforma energía aportándole trabajo. Esto es, transforma energía cinética en calorífica mediante la presión de las pastillas de freno sobre el disco. Primero te enseño un esquema sencillo (cortesía de Alberto Rodríguez y su blog AlbrodpulF1) de como se montan el disco y la pinza y luego te explico.

brake_rotor_and_caliper by @albrodpulEn este esquema observarás las partes principales del freno, sirve para cualquier vehículo con discos de freno. El elemento principal es el disco de freno, del cuál ya te hablé en la primera parte. La pinza de freno (calliper en inglés) es la encargada de transmitir la presión del circuito hidráulico a las pastillas de freno para que, mediante fricción, frenen la rotación del disco. Te recuerdo que el disco gira solidario a la rueda. Desde unos depósitos y mediante el uso de una bomba hidráulica, a través de unos conductos, llega el fluido hidráulico hasta los pistones contenidos en la pinza de freno. Esta, a su vez, contiene las pastillas de freno situadas a ambos lados o caras del disco de freno. Al presionar el líquido a los pistones, cierran la pinza y se produce la fricción que frenará la rotación del conjunto disco de freno-rueda. La consecuencia de esta acción te la enseño en la imagen siguiente.

Freno Mercedes

Como puedes observar bien, la energía cinética debida a la rotación se transforma en fuerza de rozamiento y se disipa en forma de calor. Como te dije en la anterior parte, aumenta enormemente la temperatura. El color rojo-anaranjado es distintivo de que la temperatura ha aumentado por encima de los 850º/900º C y las chispas que observarás es material frenante de la pastilla que salta debido a la gran energía calorífica a disipar.

Te llevo hablando desde la primera parte de la energía cinética pero, ¿de verdad es tanta la energía a transformar? Realmente es elevada, pero mejor te pongo un ejemplo par que te hagas una idea.

Imagina un Formula 1 que se dirige por la recta de Monza a la primera chicane del circuito. Su velocidad máxima es de 350 Km/h. Unos 120 m. antes de llegar a la primera curva frena hasta llegar a decelerar a unos 70 Km/h. ¿Cuánta energía cinética se ha transformado en este proceso y disipado en forma de calor?

cálculos energía cinética frenada F1Es un cálculo aproximado porque el peso estaría por encima de esos 702 Kg, pero como la Ec depende mucho más de la velocidad que de la masa, el error aquí cometido es pequeño. Es muchísima energía disipada en un proceso semejante, y todo esto ocurre en alrededor de 3 s. aproximadamente. De ahí que el disco llegue a verse como el de la imagen anterior. Te digo que, para hacerte una idea, 1 J = 4,187 cal aprox. La energía anterior equivale a 13325,32 kcal. ¿Es mucho o poco? Bueno, aquí un ejemplo de la energía calorífica ofrecida por un brasero en un intervalo pequeñísimo de tiempo.

cálculo potencia calorífica brasero

Como verás, no hay color entre uno y otro. De hecho durante esos aprox. 3 s. de frenada se disipa muchísima más energía que la que ofrece un brasero eléctrico durante el mismo tiempo y a máxima potencia.

Te digo que debido a esta gran cantidad de energía disipada, a los discos de feno se les practican unas ranuras y perforaciones para ventilarlos. Es decir, se les hacen unos canales y perforaciones para que el aire los atraviese y transporte el calor al ambiente más rápidamente. De nuevo, gracias a Alberto Rodríguez, otra imagen en la que ves como se monta un disco de freno en un F1. El disco está coloreado en amarillo para identificarlo.

Colocación freno Formula 1Como verás está montado de tal forma que gira solidario con el buje de la rueda (donde se enrosca la tuerca para fijar la rueda). El disco tiene practicadas muchas perforaciones a lo largo de su lateral y en su interior para que el aire fresco, que entra por el conducto destinado a ello, entre a través del disco y salga radialmente disipando el calor de la frenada.

Para terminar esta segunda parte, te contaré que los discos y las pastillas de composite carbono-carbono necesitan un intervalo de temperaturas para funcionar correctamente. El coeficiente de fricción en este rango es de 0,6, mayor que el de los discos y pastillas de calle. Ya te contaré como se hace para mantener ese intervalo de temperaturas, pero te digo que el intervalo óptimo de temperaturas está entre los 350º/400º C y los 950º/1000º C aprox.

De momento lo dejo aquí, pero pronto entregaré una tercera parte con más información y explicaciones sobre el sistema de frenado de los Formula 1.

Jero → http://www.twitter.com/jeroitim

Comentarios

  1. […] Comienzo la tercera parte de esta viru+, recordándote que puedes echar un vistazo o leer la anterior pinchando aquí. […]

  2. Marcos dice:

    Muy bueno,

    Solo una precisión… El efecto aerodinámico en la frenada no sólo es por el Drag (que sí actúa), sino porque la carga vertical que genera la aerodinámica permite que la fuerza de frenado a aplicar en las pastillas y discos sea mayor ya que la Fuerza de Rozamiento neumático-asfalto es mucho mayor (mu*N), siendo la N=(m+(carga aerod))*g.

    Es por ello que, como a medida que baja la velocidad, se va reduciendo la carga aerodinámica, si no se reduce la presión sobre el pedal, se producirá el bloqueo de la rueda (la fuerza de rozamiento nuemático-asfalto no es capaz de mantener rodando la rueda).

    Hace no mucho leí un artículo sobre la técnica de ALO en la frenada, y precisamente el redactor decía que fue uno de los primeros pilotos en aprovechar hasta el límite la capacidad de frenada incrementada por el efecto de la aerodinámica.

    • Jero dice:

      Gracias por tomarte la molestia de leerlo, pero efectivamente me referia con “efecto aerodinámico” a la carga vertical hacía abajo que se genera un F1. Lo del drag lo reseño también porque es el “indeseable efecto secundario” que aparece cuando se genera carga aerodinámica con el uso de alerones.

  3. Iteco dice:

    Muy completo el artículo y bien presentado. Gracias por tomarte la molestia de desarrollarlo tan bien. Un saludo.

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