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Introducción En general, de acuerdo a las características y estilos de conducción de los vehículos, los usuarios de éstos se pueden agrupar en dos grandes categorías: usuarios comunes (convencionales) y usuarios técnicos. Los primeros, ven y tratan a la conducción como una práctica rutinaria para realizar su traslado propio, atendiendo más a la apariencia y características físicas del vehículo que a sus aspectos de desempeño. Los conductores técnicos, en contraparte, se ocupan en identificar las capacidades y límites de desempeño, tomando ventaja de ese conocimiento para predecir la respuesta que el vehículo pueda ofrecer ante las condiciones y eventualidades que se presenten en el trayecto y anticipar sus acciones. La evaluación del desempeño y comportamiento dinámico de los vehículos permite determinar sus capacidades e identificar las mejores condiciones en las que podrían operar; ello con la intención de mantener altos niveles de seguridad durante su tránsito. Como parte fundamental de esas capacidades, sobresale la forma en que se maneja la energía, tanto para iniciar el movimiento del vehículo, como para mantenerlo o detenerlo. Esto se logra por la interacción de las llantas con la superficie del camino, siendo las llantas un elemento de las ruedas que, a su vez, es el último en la cadena de componentes del tren motriz para la transmisión de la energía. Como parte de esa interacción, las llantas deben soportar y transmitir tanto el peso como otras fuerzas verticales, las cuales son necesarias para iniciar, mantener y frenar ese desplazamiento. Por su parte, las fuerzas laterales proporcionan control direccional. Debido a la rapidez con que debe ejecutarse este proceso en situaciones críticas, la acción y el efecto del frenado es una parte relevante del desempeño, por lo cual es necesario conocer la capacidad del vehículo para lograr su detención. En casos extremos, la desaceleración puede ser más brusca que la aceleración producida para generar el movimiento, lo que evidencia la fuerte interacción que existe entre llanta y superficie del camino. Es por eso que, a través de un análisis general, en este artículo se trata el proceso de frenado, considerando los factores elementales que facilitan su entendimiento, desde una perspectiva simple y aproximada.
Arranque y avance En un vehículo típico de carretera, el movimiento se genera a partir de la transferencia de la energía del motor a través del sistema de transmisión y suministrándola a las ruedas para rotar. Al estar en contacto con el camino, las llantas requieren de la fricción entre ambos para rodar sobre éste, produciendo el desplazamiento de avance relativo a la superficie del camino. Además de la interacción llanta-camino, las características del avance dependen de la energía suministrada y de los elementos que componen el tren motriz (Figura 1), cuyas capacidades deben ser suficientes y acordes a las condiciones demandantes durante su operación.
Figura 1. Sistema motriz y sus componentes principales.
Producir el avance del vehículo requiere vencer las resistencias al movimiento. Una vez iniciado, mantener o incrementar la velocidad en caminos planos o en ascenso se logra dosificando la energía entregada por la fuente del sistema motriz (motor). En casos de desplazamiento en descenso, participa a favor la propia energía potencial por disminución de altura, que se convierte en energía de movimiento, la cual en ocasiones debe ser controlada por medios mecánicos para no exceder las velocidades de operación establecidas.
Frenado Con base en el sentido común, y desde la perspectiva mecánica del funcionamiento de un vehículo, frenar implica disminuir la velocidad y, si fuera requerido, llevar a la detención. Al igual que en la tracción, en este proceso las llantas juegan un papel importante, pues tanto la reducción de velocidad como la detención dependen del camino por donde circula. Esto requiere que se aplique una fuerza en sentido contrario al desplazamiento del vehículo, lo cual se logra a través de la superficie de contacto entre llanta y piso. Típicamente, el sistema de frenado aplica una restricción al movimiento de rotación de las ruedas que, dependiendo de su magnitud y efectividad, reducirá gradualmente la velocidad de rotación, pudiendo llegar a detenerlas siempre y cuando la capacidad sea suficiente. Esta disminución en la rotación de las ruedas se traducirá como una oposición al movimiento de avance del vehículo, por lo que su desplazamiento será afectado en la medida de la interacción de la rueda con la superficie del camino, reduciendo, por tanto, la velocidad de avance. El mecanismo convencional de frenado en los vehículos de carretera consta de dos elementos que interactúan por fricción. Uno de los componentes es relativamente fijo (zapatas o balatas) y el otro es un componente unido rígidamente a la rueda, por lo cual genera un movimiento rotatorio junto a ella (disco o tambor), que al contacto genera por fricción un par de oposición a la rotación de la rueda (Figura 2).
Figura 2. Mecanismo de frenado típico, de tambor y de disco.
El trabajo desarrollado por ese par de fricciones se transforma principalmente en calor, por lo que el mecanismo debe contar con la adecuada capacidad de disipación. Si la demanda es muy alta, el par y calor generados pueden afectar estructuralmente los componentes al grado de llegar a la inefectividad o falla del mecanismo. Lo anterior podría desencadenar graves consecuencias. Visto de esta manera, el sistema de frenado típico de los vehículos se constituye en un transformador de energía, pues buena parte de la energía cinética que posee debido a su movimiento (masa y velocidad) se convierte en energía calorífica derivado del trabajo aplicado por el sistema de frenado para reducir la velocidad. Este trabajo transformado en calor es normalmente disipado al ambiente, cuya disipación puede ser facilitada por otros sistemas o medios de enfriamiento. Así, disminuir la velocidad del vehículo implica “quitar” energía de movimiento, cuya demanda puede ser muy alta y a la vez, no ser suficiente para los sistemas tradicionales de frenado, especialmente en vehículos de carga pesada.
Análisis básico de frenado Normalmente se relaciona la capacidad de frenado de un vehículo en operación con parámetros indicadores tales como distancia, valor de aceleración (desaceleración) y tiempo que transcurre al aplicar el freno hasta alcanzar la velocidad deseada o la detención. La maniobra de frenado requiere además de otros factores asociados al operador del vehículo y a la rapidez de respuesta del sistema de frenado, entre otros. No obstante, este análisis considera los elementos básicos y la acción de frenado del vehículo respecto a su movimiento en trayectoria plana rectilínea, sin considerar el factor humano ni la dinámica del sistema y sus componentes.
Figura 3. Frenado de un vehículo.
Como primer supuesto, se establece que la energía cinética (Ec) del vehículo es igual a la combinación del trabajo (Wb) de la fuerza de frenado y la energía cinética remanente (Ecr) si al final del frenado hubiera aún movimiento y solamente se atenuara la velocidad. De manera general, esto es:
De acuerdo a la definición propia de cada término se tiene:
Como se aprecia, la energía cinética involucra a la masa (m) y velocidad de desplazamiento inicial (v) del vehículo y la velocidad remanente (vr), mientras que el trabajo de frenado resulta de la fuerza de frenado (Fb) y la distancia (d) sobre la cual actúa dicha fuerza. Esta fuerza de frenado resulta del coeficiente de fricción (f) y de la fuerza normal aplicada perpendicularmente al piso que, para este caso de análisis básico, se supone la magnitud del peso (P) del vehículo, es decir:
Sabiendo que el peso es el producto de la masa (m) por el valor de la aceleración de la gravedad (g), la primera expresión puede reescribirse como:
De esa expresión, se deduce que la distancia de frenado en la que se redujo la velocidad sería:
Si se considera que el frenado tiene un comportamiento constante y lineal, entonces la aceleración (desaceleración, ab), expresada positivamente, se estima como:
Bajo esa misma suposición, el tiempo (t) que llevaría para reducir la velocidad, partiendo de la velocidad de avance a la que inicia el frenado y alcanzando la velocidad remanente, se obtendría como:
En el supuesto de que se aplica el freno para detener el vehículo, la velocidad remanente, vr, sería nula. Bajo esa condición, las expresiones anteriores se reducirían en esa variable. Cabe hacer notar que, bajo este análisis simplificado, la aceleración de frenado y el tiempo de frenado pueden expresarse en función de la aceleración de la gravedad (g) y el coeficiente de fricción (f) entre llanta y camino; esto es:
Esto permitiría simplificar la estimación de esos valores y observar la independencia de otras variables involucradas en el movimiento del vehículo y sus parámetros de operación. No obstante, debe tenerse en cuenta que el análisis es sumamente simple, puesto que el comportamiento real puede ser resultado de la combinación de otros parámetros no contemplados en este caso. Así mismo, la aplicación de las expresiones anteriores, aún con fines estimativos, requiere de la congruencia de las unidades de cada parámetro o variable, según el sistema de unidades empleado, como es el caso del Sistema General de Unidades de Medida, [1]. Distancia de frenado Uno de los parámetros más importantes en un evento de frenado corresponde a la distancia que el vehículo requeriría para detenerse, particularmente si es un frenado de emergencia, como el denominado frenado de pánico. Como se desprende de la expresión respectiva bajo este análisis, el valor de la distancia depende de la velocidad a la que inicia el frenado, de la aceleración de la gravedad, así como del coeficiente de fricción entre llanta y superficie del camino. Un ejemplo ilustrativo de la distancia de frenado, en función de la velocidad de avance y para dos distintos coeficientes de fricción, se presenta gráficamente en la Figura 4. Los coeficientes de fricción son de 0,3 y de 0,6; múltiplos uno del otro.
Figura 4. Distancia de frenado de acuerdo a la velocidad y coeficiente de fricción.
Como puede apreciarse, la distancia de frenado se incrementa en proporción al cuadrado de la velocidad. Así mismo, el coeficiente de fricción afecta inversamente, por lo que el menor coeficiente (0,3) produce las mayores distancias. De hecho, para este caso, la distancia del menor coeficiente corresponde al doble de la obtenida con el coeficiente mayor (0,6). Ejemplo inverso de frenado De acuerdo a lo indicado en el análisis, la Figura 5 muestra la representación gráfica de un frenado teórico. En el ejemplo, el vehículo parte de una velocidad de 80 km/h y se aplica el freno hasta que se detiene, para lo cual requiere de 4,5 s.
Figura 5. Ejemplo de representación teórica de un frenado hasta la detención.
De acuerdo a la información de velocidad y tiempo, partiendo del comportamiento lineal, la aceleración puede obtenerse alternativamente a partir de la deducción cinemática, estimada en 4,9 m/s2. Con este valor de aceleración, el coeficiente de fricción sería de aproximadamente 0,5 y la distancia de 50,3 m. Por otro lado, la Figura 6 muestra el comportamiento de la velocidad durante el frenado real de pánico de un vehículo ligero, que circulaba sobre un pavimento con un coeficiente de fricción mayor a 0,65. Como puede observarse, la curva de velocidad no parte de un valor constante y no se aprecia fácilmente dónde inicia el frenado, además de que el descenso de la velocidad en el proceso evidente de frenado no es lineal.
Figura 6. Ejemplo de representación teórica de un frenado hasta la detención.
La aplicación de técnicas de análisis de mayor refinamiento, considerando para fines de comparación la porción de frenado a partir de 80 km/h, es decir, asumiendo que esa era la velocidad al iniciar el proceso de frenado, resulta en un tiempo de frenado de 4,1 s, con una desaceleración promedio de 5,3 m/s2 y una distancia recorrida de 42,7 m. Sin embargo, de acuerdo al análisis simplificado, al tener en cuenta el coeficiente de fricción de 0,65 y la velocidad inicial de 80km/h, correspondería un tiempo de 3,5 s, una desaceleración de 6,4 m/s2 y una distancia de 38,7 m. Estas diferencias hacen evidente otros factores que deben ser considerados en análisis de mayor profundidad, tales como el peso y su distribución, la efectividad del sistema de frenado y sus componentes, el estado de las llantas y sus condiciones de operación, así como otras características físicas del camino y su interacción con las llantas durante el frenado.
Sistema de frenos, sistema de seguridad El sistema de frenado constituye uno de los sistemas de seguridad más importantes en los vehículos, pues es un medio de control de la velocidad de avance. En esencia, frenar implica aminorar la rotación de las ruedas, que se refleja en una menor velocidad del vehículo gracias al contacto llanta-piso. El sistema de frenado debe tener la capacidad de bloquear la rotación de las ruedas, sustentando en ese hecho buena parte de su efectividad. Sin embargo, el bloqueo prolongado de las ruedas puede provocar un deslizamiento sobre el camino si la energía de movimiento es alta y la fricción no es suficiente para la detención, lo que conduce a la pérdida de control direccional. La necesidad de mantener el control direccional al frenar y evitar el deslizamiento de la llanta sobre el piso dio lugar al desarrollo de sistemas antibloqueo. En esencia, los sistemas antibloqueo combinan el bloqueo y liberación de las ruedas, frenando con intermitencia, con el fin de evitar un bloqueo continuo. Aunque se menciona que el sistema antibloqueo mejora el desempeño al frenado y disminuye la distancia para detenerse, esto no debe ser generalizado para todo tipo de vehículos, pues su función principal es la de mantener el control direccional. Más aún, si un vehículo posee un sistema antibloqueo y, debido a las condiciones de carga, de velocidad y de potencia de frenado no es posible bloquear las ruedas, el sistema antibloqueo no entrará en operación. En términos similares, los sistemas antibloqueo tienen límites operativos, por lo que las leyes de la física seguirán reflejándose más allá de su correcta operación y funcionamiento. Por otro lado, debido a la masa que transportan, los vehículos pesados requieren mayor energía y potencia para detenerse. Para apoyar el frenado de vehículos y disminuir riesgos en la operación abonando la seguridad, se recomienda el equipamiento de sistemas o dispositivos de frenado auxiliares que, incluso, son de uso obligado en algunos tipos de vehículos, [2]. Estos sistemas pueden emplear parcialmente la energía producida por el motor para oponerse a la dirección de giro, un “retardador” que comúnmente se asocia al sistema de transmisión, cuyos principios pueden ser hidráulicos, magnéticos o de otro tipo, denominados libres de fricción. Estos sistemas no actúan directamente sobre las ruedas, sino en elementos del sistema motriz que transmiten el movimiento hacia ellas.
Referencias 1. Norma Oficial Mexicana NOM-008-SCFI-2002, Sistema General de Unidades de Medida. Secretaría de Economía. Publicada en el Diario Oficial de la Federación el 27 de noviembre de 2002. 2. Secretaría de Comunicaciones y Transportes. Norma Oficial Mexicana NOM-012-SCT-2-2017, Sobre el peso y dimensiones máximas con los que pueden circular los vehículos de autotransporte que transitan en las vías generales de comunicación de jurisdicción federal, publicada en el Diario Oficial de la Federación el 26 de diciembre de 2017. México, D. F.
Glosario Frenar: Reducir la velocidad de un cuerpo en movimiento, pudiendo llegar a la detención. Desaceleración: Aceleración que implica el cambio de la velocidad de mayor a menor. FABELA Manuel VÁZQUEZ David HERNÁNDEZ J. Ricardo CRUZ Mauricio |
