Πώς λειτουργούν τα τακάκια φρένων ποδηλάτου: Η επιστήμη πίσω από την ισχύ ακινητοποίησης

Αναρωτηθήκατε ποτέ πώς τα μικροσκοπικά τακάκια φρένων στο ποδήλατό σας μπορούν να σταματήσουν γρήγορα έναν αναβάτη και τη μοτοσικλέτα του;

Οι περισσότεροι άνθρωποι γνωρίζουν τι κάνουν τα τακάκια φρένων - σταματούν το ποδήλατό σας. Αλλά λίγοι καταλαβαίνουν πώς λειτουργούν στην πραγματικότητα. Πίσω από κάθε ομαλή στάση και ελεγχόμενη κατάβαση κρύβεται ένα μείγμα φυσικής, μηχανικής και επιστήμης έξυπνων υλικών!

Ας αναλύσουμε την επιστήμη πίσω από τα τακάκια φρένων και τι κάνει ορισμένα να έχουν καλύτερη απόδοση από άλλα.

1. Τα βασικά: Μετατροπή της κίνησης σε θερμότητα

Θυμάστε στο μάθημα των φυσικών επιστημών που μάθαμε ότι η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί, μόνο να μετατραπεί από τη μία μορφή στην άλλη; Αυτό συμβαίνει κατά τη διαδικασία πέδησης!

Όταν το ποδήλατό σας κινείται, έχει κινητική ενέργεια - την ενέργεια της κίνησης.

Η κινητική ενέργεια μπορεί να υπολογιστεί από:

0,5 x μάζα του συστήματος x τετράγωνο της ταχύτητας.

Βλέπουμε λοιπόν ότι η συνολική κινητική ενέργεια εξαρτάται από 2 μεταβλητές:

1) η μάζα του αναβάτη και της μοτοσικλέτας

2) η ταχύτητα (πόσο γρήγορα πηγαίνετε).

Όσο βαρύτερη είναι η μάζα του συστήματος ή/και η ταχύτητα, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια. Η ταχύτητα, ωστόσο, έχει τεράστιο αντίκτυπο στη συνολική ενέργεια λόγω της κινητικής ενέργειας που είναι συνάρτηση του τετραγώνου της ταχύτητας.

Κάθε φορά που η ταχύτητά σας διπλασιάζεται, η συνολική κινητική ενέργεια τετραπλασιάζεται! Γι' αυτό το στιβαρό και αξιόπιστο φρενάρισμα είναι ζωτικής σημασίας για μεγάλες κατηφόρες με το ποδήλατο!

Για τα υδραυλικά δισκόφρενα, τα οποία είναι πολύ συνηθισμένα στις μέρες μας για τα περισσότερα ποδήλατα, όταν τραβάτε τις μανέτες των φρένων, αυτό ωθεί το υγρό φρένων σε:

1. Η δαγκάνα φρένου που ωθεί τα τακάκια προς τον δίσκο
2. Η τριβή μεταξύ του τακακιού και του ρότορα μετατρέπει την κινητική ενέργεια σε θερμική (θερμική) ενέργεια, ενδεχομένως ακόμη και σε ηχητική ενέργεια (τρικάρισμα φρένων) 😖
3. Ο ρότορας και ο αέρας γύρω του διαχέουν τη θερμότητα.

Είναι μια ακριβής διαδικασία μετατροπής: κίνηση (κινητική ενέργεια) > τριβή > θερμότητα (θερμική ενέργεια) > το ποδήλατο σταματά.

Πολύ μικρή τριβή = κακό φρενάρισμα.

Υπερβολική θερμότητα = ξεθώριασμα των φρένων, υαλώδη τακάκια φρένων, ακόμη και στρέβλωση του δισκόπλακα!

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ο σχεδιασμός των τακακιών φρένων επικεντρώνεται στον έλεγχο της τριβής και της θερμότητας, όχι απλώς στη δημιουργία της.

2. Τριβή: Η βάση της δύναμης πέδησης

Τα τακάκια φρένων σταματούν το ποδήλατό σας λόγω δύο τύπων τριβής:

Κόλλα τριβής

Καθώς τα τακάκια σας πιέζουν τον ρότορα ενώ οι ρότορες βρίσκονται σε κίνηση, η τριβή και η θερμότητα μεταφέρουν ένα στρώμα υλικού από τακάκια φρένων στους ρότορες . Αυτό ονομάζεται στρώμα μεταφοράς - φανταστείτε τις επιφάνειες του δρόμου όταν ένα αυτοκίνητο παρουσιάζει καύση ή ολίσθηση.

Αυτό το στρώμα μεταφοράς είναι ο λόγος για τον οποίο είναι τόσο σημαντικό να εφαρμόζετε σωστά στους δίσκους σας ! Κάθε ποδηλάτης με ποδήλατο με δισκόφρενα μπορεί να βεβαιώσει πόσο αδύναμη είναι η ισχύς ακινητοποίησης των δισκόφρενων μέχρι να εφαρμοστούν καλά.

Κατά το φρενάρισμα, αυτό το στρώμα μεταφοράς συνδέεται στιγμιαία και φρενάρει , επιβραδύνοντας το ποδήλατό σας και είναι πολύ λιγότερο καταστροφικό σε σύγκριση με τον άλλο τύπο τριβής που θα καλύψουμε: την λειαντική τριβή.

Λειαντική τριβή

Αυτό συμβαίνει όταν η επιφάνεια του τακακιού τρίβεται απαλά πάνω στον δίσκο . Αφαιρεί ένα μικροσκοπικό στρώμα υλικού κάθε φορά, μετατρέποντας την ενέργεια σε θερμότητα. Αυτό οδηγεί σε ταχύτερη φθορά των τακακιών και ζημιά στον δίσκο, αλλά αυτό είναι το αναπόφευκτο κόστος του να σταματήσετε το ποδήλατό σας! Η ενέργεια πρέπει να πάει κάπου...

3. Ζέστη: Ο Κρυμμένος Εχθρός

Κατά το απότομο φρενάρισμα, οι θερμοκρασίες στη διεπαφή τακακιού-ρότορα μπορούν να φτάσουν έως και τους 250 °C !

Παράδειγμα:
Ένας αναβάτης 75 κιλών + ένα ποδήλατο 9 κιλών που κινείται με 40 χλμ./ώρα μεταφέρει περίπου 5185J κινητικής ενέργειας. Σε μία μόνο περίπτωση φρεναρίσματος από 40 χλμ./ώρα μέχρι να σταματήσει πλήρως όσο πιο δυνατά γίνεται, οι 2 δίσκοι φρένων θα θερμαίνονταν κατά ~47 °C . Αυτό υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την βασική εξίσωση μεταφοράς θερμότητας.

ΔT​ =Q/( μ × γ) , όπου:

• ${\rm T}o\; Q$ είναι η θερμική ενέργεια (η κινητική ενέργεια των 5185J),
• $m$ είναι η μάζα του ρότορα (υποτίθεται ότι είναι 110 g), και
• $c$ είναι η ειδική θερμοχωρητικότητα του υλικού του ρότορα (υποθέτοντας ανοξείδωτο χάλυβα).

Υποθέτουμε επίσης ότι η δύναμη πέδησης κατανέμεται τελικά μεταξύ 2 πανομοιότυπων ρότορων και ότι δεν υπάρχει μεταφορά θερμότητας μεταξύ του συστήματος αέρα και του ρότορα.

Αλλάζοντας τα πράγματα, ας πούμε ότι φρενάρουμε με 50 χλμ./ώρα με τις ίδιες συνθήκες όπως πριν, οι μεμονωμένοι δίσκοι θα θερμαίνονταν κατά 88 °C ! Να θυμάστε ότι αυτό δεν λαμβάνει υπόψη τη θερμοκρασία περιβάλλοντος.

Μπορούμε να δούμε πόσο σκληρή είναι η πίεση που πρέπει να αντέχουν οι δίσκοι και τα τακάκια φρένων, ειδικά σε μεγάλες και γρήγορες καταβάσεις ή σε βαρύτερα συστήματα όπως τα ηλεκτρικά ποδήλατα.

Φυσικά, τα τακάκια και ο ρότορας πρέπει να διαχειρίζονται σωστά αυτή τη θερμότητα. Εάν όχι, αρχίζουν τα προβλήματα:

• Ξεθώριασμα φρένων: Όταν υπερθερμανθεί, το υλικό των τακακιών φρένων χάνει την τριβή του, με αποτέλεσμα την απότομη πτώση της ισχύος πέδησης. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι κατασκευαστές τακακιών φρένων, όπως η Shimano, προσθέτουν πτερύγια ψύξης στο υπόστρωμα των τακακιών φρένων.
• Γυάλισμα: Αυτό συμβαίνει όταν το ταμπόν λιώνει ελαφρώς, σκληραίνει και γίνεται λείο, μειώνοντας την πρόσφυση.
• Στρέβλωση του ρότορα: Η ανομοιόμορφη θερμική διαστολή κάμπτει τον ρότορα, προκαλώντας παλμούς ή τριβή.

Αν έχετε δει ποτέ χαλύβδινους ρότορες να γίνονται κίτρινοι/καφέ/μωβ/μπλε, αυτό είναι σημάδι ότι ο χάλυβας έχει αρχίσει να οξειδώνεται, υποδεικνύοντας θερμοκρασίες πολύ πάνω από 200 °C.

4. Εξισορρόπηση όλων: Θερμότητα, Πρόσφυση, Έλεγχος

Σε πρακτικό επίπεδο, τόσο η τριβή όσο και η διαχείριση της θερμότητας καθορίζουν πόσο καλά αποδίδει το σύστημα πέδησης ενός ποδηλάτου. Αλλά όπως ακριβώς και στα αυτοκίνητα, τα φρένα του ποδηλάτου δεν μπορούν να παράγουν απεριόριστη δύναμη ή να αντέχουν σε ακραίες θερμοκρασίες για πάντα.

Ακόμα και τα καλύτερα τακάκια και δισκόπλακες φρένων έχουν όρια. Αν τα πιέσετε πολύ δυνατά, θα υπερθερμανθούν, θα γυαλιστούν ή θα ξεθωριάσουν. Υπάρχει όμως και ένα άλλο όριο: η πρόσφυση .

Ανεξάρτητα από το πόσο ισχυρά είναι τα φρένα σας, μπορούν να σταματήσουν μόνο τόσο αποτελεσματικά όσο τα ελαστικά σας μπορούν να κρατήσουν τον δρόμο ή το μονοπάτι . Εάν η δύναμη πέδησης υπερβεί την πρόσφυση, τα ελαστικά θα ολισθήσουν ή θα χάσουν την πρόσφυση, γεγονός που μειώνει τον έλεγχο και αυξάνει την απόσταση ακινητοποίησης.

Γι' αυτό ένα καλό σύστημα φρένων δεν έχει να κάνει μόνο με την ακατέργαστη ισχύ ακινητοποίησης. Έχει να κάνει με την ισορροπία μεταξύ:

• Δημιουργία αρκετής τριβής για γρήγορο και ασφαλές σταμάτημα
• Διαχείριση της θερμότητας ώστε τα φρένα να παραμένουν σταθερά, και
• Αντιστοίχιση αυτής της ισχύος με την ικανότητα του ελαστικού να διατηρεί την πρόσφυση.

Από σχεδιαστικής άποψης, τα σύγχρονα φρένα ποδηλάτων έχουν να κάνουν με αυτόν τον συμβιβασμό. Στόχος είναι η μέγιστη απόδοση πέδησης χωρίς να θυσιάζεται ο έλεγχος ή η σταθερότητα , ανεξάρτητα από τις συνθήκες - στεγνή άσφαλτος, χαλαρό χαλίκι ή βρεγμένα μονοπάτια κατάβασης.

5. Υλικά τακακιών φρένων

Δεδομένης της μεγάλης ποικιλίας καταστάσεων στις οποίες μπορεί να βρεθεί κάποιος με τη μοτοσικλέτα του, οι κατασκευαστές έχουν δημιουργήσει μια ποικιλία από τακάκια φρένων που έχουν σχεδιαστεί με διαφορετικές γόμες, κάθε τύπος, με τον καθένα να είναι πιο κατάλληλος για ένα συγκεκριμένο χαρακτηριστικό οδήγησης από τον άλλο.

Οι ενώσεις για τακάκια φρένων μπορούν να παρασκευαστούν χρησιμοποιώντας μια εξαιρετικά μεγάλη ποικιλία ενώσεων, γι' αυτό και κάθε κατασκευαστής τακακιών φρένων διατηρεί τη μοναδική του συνταγή!

Για να διαβάσετε περισσότερα σχετικά με τις διαφορετικές ενώσεις που χρησιμοποιούνται γενικά, κάντε κλικ εδώ!

6. Τελικές σκέψεις

Το φρενάρισμα δεν έχει να κάνει μόνο με τη δύναμη—έχει να κάνει με τον έλεγχο, τη συνέπεια και την αυτοπεποίθηση . Πίσω από κάθε ομαλό φρενάρισμα κρύβεται μια ισορροπία φυσικής και σχεδιασμού υλικών.

Τα τακάκια φρένων σας διαχειρίζονται αυτήν την ισορροπία κάθε φορά που οδηγείτε. Έτσι, όταν έρθει η ώρα να τα αντικαταστήσετε, επιλέξτε τακάκια σχεδιασμένα με βάση την πραγματική επιστήμη. Γιατί όταν πρόκειται για ισχύ ακινητοποίησης, χρειάζεστε φρένα που μπορείτε να εμπιστευτείτε.

Ανακαλύψτε τα τακάκια φρένων TracEdge - Κατασκευασμένα από έμπειρους Ταϊβανέζους μηχανικούς που ασχολούνται με το σχεδιασμό και την κατασκευή τακακιών φρένων για τους τομείς της αυτοκινητοβιομηχανίας, των ατμομηχανών και της γεωργίας!

Με ❤️,
Τιμ