Cómo funcionan las pastillas de freno de bicicleta: la ciencia detrás de la potencia de frenado

¿Te has preguntado alguna vez cómo unas diminutas pastillas de freno de tu bicicleta pueden detener al ciclista y a su bicicleta de forma tan rápida?

La mayoría de la gente sabe para qué sirven las pastillas de freno: detienen la bicicleta. Pero pocos entienden cómo funcionan realmente. ¡Detrás de cada frenada suave y descenso controlado hay una combinación de física, ingeniería y ciencia de materiales avanzada!

Analicemos la ciencia detrás de las pastillas de freno y qué hace que algunas funcionen mejor que otras.

1. Lo básico: Convertir el movimiento en calor

¿Recuerdas en clase de ciencias cuando aprendimos que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma de una forma a otra? ¡Eso es lo que sucede durante el proceso de frenado!

Cuando tu bicicleta está en movimiento, tiene energía cinética : la energía del movimiento.

La energía cinética se puede calcular mediante:

0,5 x masa del sistema x cuadrado de la velocidad.

Vemos, pues, que la energía cinética total depende de dos variables:

1) la masa del ciclista y la bicicleta

2) la velocidad (qué tan rápido vas).

Cuanto mayor sea la masa del sistema y/o su velocidad, mayor será su energía. Sin embargo, la velocidad influye enormemente en la energía total, ya que la energía cinética es proporcional al cuadrado de la velocidad.

Cada vez que duplicas tu velocidad, ¡la energía cinética total se cuadruplica! Por eso, una frenada sólida y fiable es crucial para los largos descensos en bicicleta.

En el caso de los frenos de disco hidráulicos, muy comunes hoy en día en la mayoría de las bicicletas, al accionar las manetas de freno, el líquido de frenos se desplaza hacia:

1. La pinza de freno que presiona las pastillas contra el rotor
2. La fricción entre la pastilla y el rotor convierte la energía cinética en energía térmica (calor), e incluso potencialmente en energía sonora (chirrido de frenos) 😖
3. El rotor y el aire que lo rodea disipan el calor.

Es un proceso de conversión preciso: movimiento (energía cinética) > fricción > calor (energía térmica) > la bicicleta se detiene.

Poca fricción = frenado deficiente.

¡Demasiado calor = pérdida de eficacia de frenado, pastillas de freno cristalizadas e incluso deformación de los discos!

Por eso, el diseño de las pastillas de freno se centra en controlar la fricción y el calor, no solo en generarlos.

2. Fricción: La base de la potencia de frenado

Las pastillas de freno detienen la bicicleta mediante dos tipos de fricción:

Fricción adhesiva

Al presionar la pastilla contra el disco mientras este gira, la fricción y el calor transfieren una capa de material de la pastilla al disco . Esto se denomina capa de transferencia; imagínese la superficie de la carretera cuando un coche realiza un derrape o un burnout.

¡Esta capa de transferencia es la razón por la que es tan importante asentar correctamente los discos de freno ! Cualquier ciclista con una bicicleta con frenos de disco puede dar fe de lo débil que es la potencia de frenado de estos frenos hasta que se asientan por completo.

Al frenar, esta capa de transferencia se adhiere momentáneamente y se frena , reduciendo la velocidad de la bicicleta y es mucho menos destructiva en comparación con el otro tipo de fricción que veremos: la fricción abrasiva.

Fricción abrasiva

Esto ocurre cuando la superficie de la pastilla roza suavemente contra el disco . Cada vez, se desprende una fina capa de material, convirtiendo la energía en calor. Esto provoca un desgaste más rápido de las pastillas y daños en el disco, ¡pero es el precio inevitable de frenar la moto! La energía tiene que ir a alguna parte...

3. El calor: el enemigo oculto

Durante un frenado brusco, las temperaturas en la interfaz pastilla-disco pueden alcanzar hasta 250 °C .

Ejemplo:
Un ciclista de 75 kg y una bicicleta de 9 kg que circulan a 40 km/h transportan aproximadamente 5185 J de energía cinética. En una frenada brusca desde 40 km/h hasta la detención completa, los dos discos de freno se calentarían unos 47 °C . Este cálculo se realiza mediante la ecuación fundamental de transferencia de calor.

ΔT​ =Q/( m × c) , dónde:

• $Q$ es la energía térmica (la energía cinética de 5185 J),
• $m$ es la masa del rotor (que se supone que es de 110 g), y
• $c$ es la capacidad calorífica específica del material del rotor (suponiendo acero inoxidable).

También suponemos que la fuerza de frenado se distribuye finalmente entre dos rotores idénticos, y que no hay transferencia de calor entre el aire y el sistema de rotores.

Cambiando de tema, si frenamos a 50 km/h en las mismas condiciones que antes, ¡los discos individuales se calentarían 88 °C ! Recuerda que esto no tiene en cuenta la temperatura ambiente.

Podemos ver el gran desgaste que tienen que soportar los discos y las pastillas de freno, especialmente en descensos largos y rápidos o con sistemas más pesados ​​como las bicicletas eléctricas.

Naturalmente, las pastillas y el rotor deben gestionar correctamente este calor. De lo contrario, empezarán los problemas.

• Pérdida de eficacia de frenado: Cuando se sobrecalientan, las pastillas de freno pierden fricción, lo que provoca una caída repentina de la potencia de frenado. Por eso, fabricantes de pastillas de freno como Shimano incorporan aletas de refrigeración en la parte posterior de las pastillas.
• Glaseado: Esto ocurre cuando la almohadilla se derrite ligeramente, se endurece y se vuelve lisa, reduciendo el agarre.
• Deformación del rotor: La expansión térmica desigual dobla el rotor, causando pulsaciones o roces.

Si alguna vez has visto rotores de acero volverse amarillos/marrones/morados/azules, esto es una señal de que el acero ha comenzado a oxidarse, lo que indica temperaturas muy superiores a 200 °C.

4. Equilibrar todo: calor, tracción, control

En la práctica, tanto la fricción como la gestión del calor determinan el rendimiento del sistema de frenado de una bicicleta. Pero, al igual que en los coches, los frenos de bicicleta no pueden generar una fuerza ilimitada ni soportar temperaturas extremas indefinidamente.

Incluso las mejores pastillas y discos de freno tienen sus límites. Si se les exige demasiado, se sobrecalentarán, se cristalizarán o perderán eficacia. Pero también existe otro límite: la tracción .

Por muy potentes que sean tus frenos, su eficacia de frenado depende de la adherencia de los neumáticos al asfalto o camino . Si la fuerza de frenado supera la tracción, los neumáticos patinarán o perderán agarre, lo que reduce el control y aumenta la distancia de frenado.

Por eso, un buen sistema de frenos no se trata solo de potencia de frenado bruta. Se trata del equilibrio entre:

• Generar la fricción suficiente para detenerse de forma rápida y segura
• Controlar el calor para que los frenos mantengan una temperatura constante, y
• Adaptar esa potencia a la capacidad del neumático para mantener el agarre.

Desde el punto de vista del diseño, los frenos modernos de bicicleta se basan en este equilibrio. El objetivo es ofrecer el máximo rendimiento de frenado sin sacrificar el control ni la estabilidad , independientemente de las condiciones: asfalto seco, grava suelta o senderos de descenso mojados.

5. Materiales de las pastillas de freno

Dada la amplia variedad de situaciones en las que uno puede encontrarse tanto con su bicicleta como con la bicicleta misma, los fabricantes han creado una selección de pastillas de freno formuladas con diferentes compuestos, siendo cada tipo más adecuado para una determinada característica de conducción que el otro.

Los compuestos para pastillas de freno se pueden formular utilizando una amplísima variedad de compuestos, ¡por eso cada fabricante de pastillas de freno guarda celosamente su receta única!

Para leer más sobre los diferentes compuestos utilizados, ¡haz clic aquí!

6. Reflexiones finales

Frenar no se trata solo de fuerza, sino de control, consistencia y confianza . Detrás de cada parada suave hay un equilibrio entre la física y el diseño de los materiales.

Las pastillas de freno mantienen ese equilibrio en cada salida. Por eso, cuando llegue el momento de cambiarlas, elige unas diseñadas con tecnología de vanguardia. Porque cuando se trata de potencia de frenado, necesitas frenos en los que puedas confiar.

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Con ❤️,
Tim