Sappiamo tutti che premere il pedale del freno rallenta un'auto fino all'arresto. Ma come avviene? In che modo la tua auto trasmette la forza dalla tua gamba alle ruote? Come fa a moltiplicare la forza in modo che sia sufficiente per fermare qualcosa grande come un'auto?
Quando premi il pedale del freno, la tua auto trasmette la forza dal tuo piede ai suoi freni attraverso un fluido. Poiché i freni effettivi richiedono una forza molto maggiore di quella che potresti applicare con la gamba, la tua auto deve anche moltiplicare la forza del tuo piede. Lo fa in due modi:
I freni trasmettono la forza agli pneumatici usando attrito , e gli pneumatici trasmettono quella forza alla strada usando anche l'attrito. Prima di iniziare la nostra discussione sui componenti dell'impianto frenante, tratteremo questi tre principi:
Parleremo della leva e dell'idraulica nella prossima sezione.
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Nella figura seguente, una forza F viene applicata all'estremità sinistra della leva. L'estremità sinistra della leva è lunga il doppio (2X) dell'estremità destra (X). Pertanto, sull'estremità destra della leva è disponibile una forza di 2F, ma agisce per metà della distanza (Y) che percorre l'estremità sinistra (2Y). La modifica delle lunghezze relative delle estremità sinistra e destra della leva cambia i moltiplicatori.
L'idea alla base di qualsiasi sistema idraulico è molto semplice:la forza applicata in un punto viene trasmessa a un altro punto utilizzando un fluido incomprimibile , quasi sempre un olio di qualche tipo. La maggior parte dei sistemi frenanti moltiplica anche la forza nel processo.
Due pistoni sono inseriti in due cilindri di vetro pieni d'olio e collegati tra loro con un tubo pieno d'olio. Se si applica una forza verso il basso a un pistone, la forza viene trasmessa al secondo pistone attraverso l'olio nel tubo. Poiché l'olio è incomprimibile, l'efficienza è molto buona:quasi tutta la forza applicata appare al secondo pistone. La cosa grandiosa dei sistemi idraulici è che il tubo che collega i due cilindri può essere di qualsiasi lunghezza e forma, permettendogli di scorrere attraverso ogni sorta di cose che separano i due pistoni. Il tubo può anche essere biforcato, in modo che un cilindro principale possa azionare più di un cilindro secondario, se lo si desidera.
L'altra cosa interessante di un sistema idraulico è che rende abbastanza facile la moltiplicazione (o divisione) della forza. Se hai letto Come funziona un blocco e un contrasto o Come funzionano i rapporti di trasmissione, allora sai che la forza di scambio per la distanza è molto comune nei sistemi meccanici. In un sistema idraulico, tutto ciò che devi fare è modificare le dimensioni di un pistone e di un cilindro rispetto all'altro.
Per determinare il fattore di moltiplicazione, inizia osservando la dimensione dei pistoni. Si supponga che il pistone a sinistra abbia un diametro di 2 pollici (5,08 cm) (raggio 1 pollice/2,54 cm), mentre il pistone a destra abbia un diametro di 6 pollici (15,24 cm) (raggio 3 pollici/7,62 cm) . L'area dei due pistoni è Pi * r 2 . L'area del pistone di sinistra è quindi 3,14, mentre l'area del pistone di destra è 28,26. Il pistone a destra è nove volte più grande del pistone a sinistra. Ciò significa che qualsiasi forza applicata al pistone sinistro uscirà nove volte maggiore sul pistone destro. Quindi, se si applica una forza di 100 libbre verso il basso al pistone sinistro, a destra apparirà una forza verso l'alto di 900 libbre. L'unico problema è che dovrai premere il pistone sinistro di 9 pollici (22,86 cm) per sollevare il pistone destro di 1 pollice (2,54 cm).
Successivamente, esamineremo il ruolo svolto dall'attrito nei sistemi frenanti.
L'attrito è una misura di quanto sia difficile far scorrere un oggetto su un altro. Dai un'occhiata alla figura qui sotto. Entrambi i blocchi sono realizzati con lo stesso materiale, ma uno è più pesante. Penso che sappiamo tutti quale sarà più difficile da spingere per il bulldozer.
Per capire perché questo è, diamo un'occhiata da vicino a uno dei blocchi e alla tabella:
Anche se i blocchi sembrano lisci ad occhio nudo, in realtà sono piuttosto ruvidi a livello microscopico. Quando appoggi il blocco sul tavolo, le piccole cime e le valli vengono schiacciate insieme e alcune di esse potrebbero effettivamente saldarsi insieme. Il peso del blocco più pesante lo fa schiacciare di più, quindi è ancora più difficile farlo scorrere.
Materiali diversi hanno strutture microscopiche diverse; per esempio, è più difficile far scorrere gomma contro gomma che acciaio contro acciaio. Il tipo di materiale determina il coefficiente di attrito , il rapporto tra la forza richiesta per far scorrere il blocco e il peso del blocco. Se il coefficiente fosse 1,0 nel nostro esempio, allora ci vorrebbero 100 libbre di forza per far scorrere il blocco da 100 libbre (45 kg), o 400 libbre (180 kg) di forza per far scorrere il blocco da 400 libbre. Se il coefficiente fosse 0,1, ci vorrebbero 10 libbre di forza per scivolare sul blocco da 100 libbre o 40 libbre di forza per far scorrere il blocco da 400 libbre.
Quindi la quantità di forza necessaria per spostare un dato blocco è proporzionale al peso di quel blocco. Maggiore è il peso, maggiore è la forza richiesta. Questo concetto si applica a dispositivi come freni e frizioni, in cui una pastiglia viene premuta contro un disco rotante. Maggiore è la forza che preme sulla pastiglia, maggiore è la forza di arresto.
CoefficientiUna cosa interessante dell'attrito è che di solito ci vuole più forza per rompere un oggetto che per mantenerlo scorrevole. Esiste un coefficiente di attrito statico , dove le due superfici a contatto non scorrono l'una rispetto all'altra. Se le due superfici scorrono l'una rispetto all'altra, la quantità di forza è determinata dal coefficiente di attrito dinamico , che di solito è inferiore al coefficiente di attrito statico.
Per uno pneumatico per auto, il coefficiente di attrito dinamico è molto inferiore al coefficiente di attrito statico. Il pneumatico dell'auto fornisce la massima trazione quando la zona di contatto non scivola rispetto alla strada. Quando sta scivolando (come durante uno slittamento o un burnout), la trazione è notevolmente ridotta.
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Diciamo ad esempio che la distanza dal pedale al perno è quattro volte la distanza dal cilindro al perno, quindi la forza sul pedale sarà aumentata di un fattore quattro prima di essere trasmessa al cilindro.
Anche se il diametro del cilindro del freno è tre volte il diametro del cilindro del pedale. Questo moltiplica ulteriormente la forza per nove. Complessivamente, questo sistema aumenta la forza del tuo piede di un fattore 36. Se applichi 10 libbre di forza sul pedale, verranno generati 360 libbre (162 kg) al volante che preme le pastiglie dei freni.
Ci sono un paio di problemi con questo semplice sistema. E se avessimo una fuga ? Se si tratta di una perdita lenta, alla fine non sarà rimasto abbastanza liquido per riempire il cilindro del freno e i freni non funzioneranno. Se si tratta di una perdita importante, la prima volta che si azionano i freni, tutto il liquido schizzerà fuori la perdita e si verificherà un guasto completo del freno.
Il cilindro principale delle auto moderne è progettato per far fronte a questi potenziali guasti. Assicurati di controllare l'articolo su Come funzionano le pompe freno e le valvole combinate e il resto degli articoli della serie sui freni (vedi i collegamenti nella pagina successiva), per saperne di più.
