Como funcionam as pastilhas de freio de bicicleta: a ciência por trás do poder de frenagem

Você já se perguntou como as minúsculas pastilhas de freio da sua bicicleta conseguem parar um ciclista e sua bicicleta tão rapidamente?

A maioria das pessoas sabe o que as pastilhas de freio fazem : param a sua bicicleta. Mas poucas entendem como elas realmente funcionam. Por trás de cada frenagem suave e descida controlada, existe uma combinação de física, engenharia e ciência de materiais inteligentes!

Vamos analisar a ciência por trás das pastilhas de freio e o que faz com que algumas tenham um desempenho melhor do que outras.

1. O básico: transformando movimento em calor

Lembra da aula de ciências em que aprendemos que a energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada de uma forma em outra? É exatamente isso que acontece durante o processo de frenagem!

Quando sua bicicleta está em movimento, ela possui energia cinética - a energia do movimento.

A energia cinética pode ser calculada por:

0,5 vezes a massa do sistema multiplicada pelo quadrado da velocidade.

Vemos, portanto, que a energia cinética total depende de duas variáveis:

1) a massa do ciclista e da bicicleta

2) a velocidade (quão rápido você está indo).

Quanto maior a massa do sistema e/ou a velocidade, maior a energia. A velocidade, no entanto, tem um impacto enorme na energia total, visto que a energia cinética é uma função do quadrado da velocidade.

A cada vez que sua velocidade dobra, a energia cinética total quadruplica! É por isso que uma frenagem sólida e confiável é crucial em longos trechos de descida de bicicleta!

Nos freios a disco hidráulicos, que são muito comuns hoje em dia na maioria das motos, quando você aciona as alavancas de freio, o fluido de freio é empurrado para:

1. A pinça de freio que pressiona as pastilhas contra o disco de freio.
2. O atrito entre a pastilha e o rotor converte energia cinética em energia térmica (calor), e potencialmente até em energia sonora (freios rangendo) 😖
3. O rotor e o ar ao seu redor dissipam o calor.

É um processo de conversão preciso: movimento (energia cinética) > atrito > calor (energia térmica) > parada da bicicleta.

Pouco atrito = frenagem deficiente.

Calor excessivo = perda de eficiência dos freios, pastilhas de freio vitrificadas e até mesmo empenamento dos discos!

É por isso que o design das pastilhas de freio se concentra em controlar o atrito e o calor, e não apenas em gerá-los.

2. Atrito: A base da capacidade de frenagem

As pastilhas de freio param sua bicicleta por meio de dois tipos de atrito:

Atrito adesivo

Conforme a pastilha pressiona o rotor enquanto este está em movimento, o atrito e o calor transferem uma camada do material da pastilha para o rotor . Essa camada é chamada de camada de transferência — imagine o que acontece na superfície da estrada quando um carro faz uma derrapagem controlada ou um drift.

Essa camada de transferência é o motivo pelo qual é tão importante fazer o assentamento correto dos rotores ! Todo ciclista com uma bicicleta com freio a disco pode atestar o quão fraca é a capacidade de frenagem desses freios até que estejam bem assentados.

Ao frear, essa camada de transferência se une momentaneamente e freia , diminuindo a velocidade da sua bicicleta, sendo muito menos destrutiva em comparação com o outro tipo de atrito que abordaremos: o atrito abrasivo.

Atrito Abrasivo

Isso ocorre quando a superfície da pastilha fricciona suavemente contra o rotor . A cada fricção, uma fina camada de material é removida, convertendo energia em calor. Isso leva a um desgaste mais rápido das pastilhas e danos ao rotor, mas esse é o preço inevitável de parar a moto! A energia precisa ser dissipada de alguma forma...

3. Calor: O Inimigo Oculto

Durante uma frenagem brusca, as temperaturas na interface pastilha-disco podem atingir até 250 °C !

Exemplo:
Um ciclista de 75 kg e uma bicicleta de 9 kg a 40 km/h possuem aproximadamente 5185 J de energia cinética. Em uma frenagem brusca de 40 km/h até a parada completa, os dois discos de freio aqueceriam cerca de 47 °C . Esse valor é calculado utilizando a equação fundamental de transferência de calor.

Δ T =Q/( m × c) , onde:

• $Q$ é a energia térmica (a energia cinética de 5185 J),
• $m$ é a massa do rotor (considerada como 110g), e
• $c$ é a capacidade térmica específica do material do rotor (considerando aço inoxidável).

Assumimos também que a força de frenagem é eventualmente distribuída entre dois rotores idênticos e que não há transferência de calor entre o ar e o sistema de rotores.

Para mudar um pouco as coisas, digamos que freiemos a 50 km/h nas mesmas condições de antes, os rotores individuais aqueceriam 88 °C ! Lembre-se, isso não leva em consideração a temperatura ambiente.

Podemos ver o quanto os rotores e as pastilhas de freio precisam suportar, especialmente em descidas longas e rápidas ou em sistemas mais pesados, como as bicicletas elétricas.

Naturalmente, as pastilhas e o rotor precisam lidar adequadamente com esse calor. Caso contrário, os problemas começam:

• Perda de eficiência dos freios: Quando superaquecidas, as pastilhas de freio perdem atrito, resultando em uma queda repentina na capacidade de frenagem. É por isso que fabricantes de pastilhas de freio, como a Shimano, adicionam aletas de resfriamento à parte traseira das pastilhas.
• Vitrificação: É quando a almofada derrete ligeiramente, endurece e fica lisa, reduzindo a aderência.
• Empenamento do rotor: A expansão térmica desigual deforma o rotor, causando pulsação ou atrito.

Se você já viu rotores de aço ficarem amarelos/marrons/roxos/azuis, isso é um sinal de que o aço começou a oxidar, indicando temperaturas bem acima de 200 °C.

4. Equilibrando Tudo: Calor, Tração, Controle

Em termos práticos, tanto o atrito quanto o gerenciamento de calor determinam o desempenho do sistema de freios de uma bicicleta. Mas, assim como nos carros, os freios de bicicleta não conseguem gerar força ilimitada nem suportar temperaturas extremas indefinidamente.

Até mesmo as melhores pastilhas e discos de freio têm limites. Se forem exigidos demais, superaquecerão, vitrificarão ou perderão a eficiência. Mas há outro limite também: a tração .

Por mais potentes que sejam seus freios, eles só conseguem parar com a mesma eficácia se os pneus conseguirem aderir à estrada ou trilha . Se a força de frenagem exceder a tração, os pneus irão derrapar ou perder aderência, o que reduz o controle e aumenta a distância de frenagem.

Por isso, um bom sistema de freios não se resume apenas à potência bruta de frenagem. Trata-se do equilíbrio entre:

• Gerar fricção suficiente para parar de forma rápida e segura.
• Gerenciar o calor para que os freios permaneçam consistentes, e
• Adequar essa potência à capacidade do pneu de manter a aderência.

Do ponto de vista do design, os freios modernos para bicicletas giram em torno desse equilíbrio. O objetivo é oferecer o máximo desempenho de frenagem sem sacrificar o controle ou a estabilidade , independentemente das condições — asfalto seco, cascalho solto ou trilhas molhadas em descidas.

5. Materiais das pastilhas de freio

Dada a grande variedade de situações em que se pode encontrar com a própria bicicleta, os fabricantes criaram uma seleção de pastilhas de freio formuladas com diferentes compostos, cada tipo mais adequado a um determinado estilo de pilotagem do que o outro.

Os compostos das pastilhas de freio podem ser formulados usando uma variedade extremamente grande de substâncias, e é por isso que cada fabricante de pastilhas de freio guarda a sete chaves sua receita exclusiva!

Para saber mais sobre os diferentes compostos utilizados, clique aqui!

6. Considerações Finais

A frenagem não se resume apenas à força — trata-se de controle, consistência e confiança . Por trás de cada parada suave, existe um equilíbrio entre física e design de materiais.

As pastilhas de freio gerenciam esse equilíbrio a cada pedalada. Por isso, quando chegar a hora de trocá-las, escolha pastilhas projetadas com base em ciência comprovada. Afinal, quando se trata de poder de frenagem, você precisa de freios em que possa confiar.

Descubra as pastilhas de freio TracEdge - fabricadas por engenheiros taiwaneses experientes, envolvidos no projeto e na produção de pastilhas de freio para os setores automotivo, ferroviário e agrícola!

Com ❤️,
Tim