Fonctionnement des plaquettes de frein de vélo : la science derrière la puissance de freinage

Vous êtes-vous déjà demandé comment de minuscules plaquettes de frein sur votre vélo peuvent immobiliser un cycliste et son vélo en un rien de temps ?

La plupart des gens savent à quoi servent les plaquettes de frein : elles permettent d’arrêter un vélo. Mais peu comprennent leur fonctionnement. Derrière chaque freinage en douceur et chaque descente maîtrisée se cache un savant mélange de physique, d’ingénierie et de science des matériaux !

Analysons la science qui se cache derrière les plaquettes de frein et ce qui explique pourquoi certaines sont plus performantes que d'autres.

1. Les bases : Transformer le mouvement en chaleur

Vous vous souvenez, en cours de sciences, quand on a appris que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite, seulement convertie d'une forme à une autre ? C'est exactement ce qui se passe lors du freinage !

Lorsqu'un vélo est en mouvement, il possède de l'énergie cinétique , c'est-à-dire l'énergie du mouvement.

L'énergie cinétique peut être calculée par :

0,5 x masse du système x carré de la vitesse.

On constate donc que l'énergie cinétique totale dépend de 2 variables :

1) la masse du cycliste et du vélo

2) la vitesse (à quelle vitesse vous vous déplacez).

Plus la masse du système et/ou sa vitesse sont élevées, plus son énergie est importante. La vitesse, cependant, a un impact considérable sur l'énergie totale, car l'énergie cinétique est proportionnelle au carré de la vitesse.

À chaque fois que votre vitesse double, votre énergie cinétique totale quadruple ! C'est pourquoi un freinage puissant et fiable est essentiel pour les longues descentes à vélo !

Pour les freins à disque hydrauliques, très répandus de nos jours sur la plupart des vélos, lorsque vous actionnez les leviers de frein, cela pousse le liquide de frein vers :

1. L'étrier de frein qui pousse les plaquettes contre le disque
2. Le frottement entre la plaquette et le disque convertit l'énergie cinétique en énergie thermique (chaleur), voire même en énergie sonore (grincement des freins) 😖
3. Le rotor et l'air environnant dissipent la chaleur.

Il s'agit d'un processus de conversion précis : mouvement (énergie cinétique) > frottement > chaleur (énergie thermique) > arrêt du vélo.

Un frottement insuffisant = un freinage médiocre.

Une chaleur excessive peut entraîner une perte d'efficacité du freinage, un glaçage des plaquettes de frein et même une déformation des disques !

C’est pourquoi la conception des plaquettes de frein vise à contrôler la friction et la chaleur, et non pas seulement à les créer.

2. Frottement : fondement de la puissance de freinage

Les plaquettes de frein permettent d'arrêter votre vélo grâce à deux types de friction :

Friction adhésive

Lorsque les plaquettes de frein appuient contre les disques en mouvement, la friction et la chaleur déposent une couche de matériau de plaquette sur les disques . C'est ce qu'on appelle une couche de transfert ; imaginez la surface de la route après un dérapage ou un burnout.

C’est cette couche de transfert qui explique pourquoi il est si important de bien roder ses disques de frein ! Tous les cyclistes équipés de freins à disque peuvent témoigner de la faiblesse du freinage avant un rodage optimal.

Lors du freinage, cette couche de transfert se lie momentanément et freine , ralentissant votre vélo, et est beaucoup moins destructrice que l'autre type de friction que nous allons aborder : la friction abrasive.

Friction abrasive

Cela se produit lorsque la surface de la plaquette frotte légèrement contre le disque . À chaque passage, elle enlève une fine couche de matériau, convertissant l'énergie en chaleur. Il en résulte une usure plus rapide des plaquettes et des dommages au disque, mais c'est le prix inévitable pour freiner votre moto ! L'énergie doit bien se dissiper quelque part…

3. Heat : L'ennemi caché

Lors d'un freinage brusque, la température à l'interface plaquette-disque peut atteindre jusqu'à 250 °C !

Exemple:
Un cycliste de 75 kg et son vélo de 9 kg roulant à 40 km/h possèdent une énergie cinétique d'environ 5185 J. Lors d'un freinage brusque de 40 km/h à l'arrêt complet, les deux disques de frein s'échaufferaient d' environ 47 °C . Ce calcul est effectué à l'aide de l'équation fondamentale de transfert thermique.

Δ T =Q/( m × c) , où:

• $Q$ représente l'énergie thermique (l'énergie cinétique de 5185J),
• $m$ représente la masse du rotor (supposée égale à 110 g), et
• $c$ est la capacité thermique massique du matériau du rotor (en supposant de l'acier inoxydable).

Nous supposons également que la force de freinage est finalement répartie entre 2 rotors identiques et qu'il n'y a pas de transfert de chaleur entre l'air et le système rotor.

En changeant de situation, disons que nous freinons à 50 km/h dans les mêmes conditions qu'auparavant, les disques de frein individuels atteindraient une température de 88 °C ! N'oubliez pas que cela ne tient pas compte de la température ambiante.

On peut ainsi constater à quel point les disques et les plaquettes de frein sont soumis à rude épreuve, notamment lors de descentes longues et rapides ou avec des systèmes plus lourds comme les vélos électriques.

Bien entendu, les plaquettes et le disque doivent gérer correctement cette chaleur. Dans le cas contraire, des problèmes surviennent :

• Perte d'efficacité du freinage : En cas de surchauffe, les plaquettes de frein perdent de l'adhérence, ce qui entraîne une chute brutale de la puissance de freinage. C'est pourquoi des fabricants comme Shimano ajoutent des ailettes de refroidissement au support des plaquettes.
• Glaçage : C'est lorsque le tampon fond légèrement, durcit et devient lisse, ce qui réduit l'adhérence.
• Déformation du rotor : Une dilatation thermique irrégulière déforme le rotor, provoquant des pulsations ou des frottements.

Si vous avez déjà vu des rotors en acier devenir jaunes/bruns/violets/bleus, c'est le signe que l'acier a commencé à s'oxyder, indiquant des températures bien supérieures à 200 °C.

4. Équilibrer le tout : chaleur, traction, contrôle

Concrètement, la friction et la gestion de la chaleur déterminent l'efficacité du système de freinage d'un vélo. Mais comme pour les voitures, les freins de vélo ne peuvent pas générer une force illimitée ni résister indéfiniment à des températures extrêmes.

Même les meilleures plaquettes et disques de frein ont leurs limites. Si on les sollicite trop, ils surchauffent, se glacent ou perdent en efficacité. Mais il existe une autre limite : l’adhérence .

Aussi puissants soient vos freins, leur efficacité dépend de l'adhérence de vos pneus à la route ou au sentier . Si la force de freinage dépasse l'adhérence, les pneus dérapent, ce qui réduit le contrôle et augmente la distance de freinage.

C’est pourquoi un bon système de freinage ne se résume pas à une simple puissance de freinage brute. Il s’agit d’un équilibre entre :

• Générer suffisamment de friction pour s'arrêter rapidement et en toute sécurité
• Gérer la chaleur pour que les freins restent performants de manière constante, et
• Adapter cette puissance à la capacité du pneu à maintenir son adhérence.

Du point de vue de la conception, les freins de vélo modernes reposent sur ce compromis. L'objectif est d'offrir des performances de freinage maximales sans sacrifier le contrôle ni la stabilité , quelles que soient les conditions : asphalte sec, gravier meuble ou sentiers de descente humides.

5. Matériaux des plaquettes de frein

Compte tenu de la grande variété de situations dans lesquelles on peut se trouver avec son vélo, les fabricants ont créé une sélection de plaquettes de frein formulées avec différents composés, chaque type étant plus adapté à une caractéristique de conduite particulière que l'autre.

Les composés utilisés pour les plaquettes de frein peuvent être formulés à partir d'une très grande variété de composés, c'est pourquoi chaque fabricant de plaquettes de frein protège jalousement sa recette unique !

Pour en savoir plus sur les différents composés utilisés, cliquez ici !

6. Réflexions finales

Le freinage ne se résume pas à la force : il s’agit aussi de contrôle, de constance et de confiance . Derrière chaque arrêt en douceur se cache un équilibre entre la physique et la conception des matériaux.

Vos plaquettes de frein assurent cet équilibre à chaque fois que vous roulez. Alors, lorsqu'il est temps de les remplacer, choisissez des plaquettes conçues selon des principes scientifiques rigoureux. Car en matière de puissance de freinage, vous avez besoin de freins fiables.

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Tim