FRENOS EN LA F1. PARTE 1: CÓMO FUNCIONAN.

Uno de los aspectos que más impresiona a los pilotos cuando se montan por primera vez en un Fórmula 1 son los frenos. En el mundo de la competición, mucha gente cree que tener el coche más rápido y con la mayor aceleración posible es sinónimo de tener el mejor coche, pero no es así. Para que un F1 sea competitivo tiene que tener una serie de elementos que hacen de él un coche equilibrado.  Que tenga la máxima velocidad, una buena tracción para proporcionarnos una buena aceleración lineal y lateral son  muy importantes pero  el coche tiene que frenar lo mas rápidamente posible y para eso son necesarios unos buenos frenos para perder el mínimo tiempo posible. En otras palabras, debe tener la máxima velocidad y la mejor deceleración posible.
¿Qué seria de un monoplaza sin buenos frenos? El permitirse el lujo de frenar más tarde que los demás es muy importante. Un coche con buenos frenos, además de ayudar en la conducción, hacen sentir al piloto  más seguro, lo que se convierte en confianza, y por lo tanto, ser capaz de rodar más rápido.
 No es de extrañar que produzca seguridad viendo como un F1 puede pasar de ir a 200 km/h y 2,9 segundos más tarde pararse completamente en una distancia de 65 m para conseguirlo. El mismo coche a 300 km/h necesita menos de 4 segundos, por tanto su eficacia es impresionante. Esta capacidad se la tiene que agradecer a un material y a unos discos, los famosos frenos de carbono de los cuales hablaremos de ellos más detenidamente luego.
Principios básicos sobre la frenada
El principio del frenado es simple: desacelerar un objeto convirtiendo su energía cinética en calor. El principio es fácil pero conseguirlo lo es aún más pero con la intensidad que lo hacen estas máquinas ya es más complicado.
Pero antes de entra a describir como son los frenos de un coche habrá que repasar la causa por la que los objetos se detienen y el culpable de todo son las fuerzas de rozamiento. Pero, qué son esas fuerzas. Bien, veamos.

La fuerza de rozamiento es una fuerza muy importante cuando se estudia el movimiento. Aparece cuando dos cuerpos están en contacto y es aquella que se opone al movimiento mutuo entre ambas superficies. Se genera debido a las imperfecciones, mayormente microscópicas, entre las superficies en contacto. Es la causante, por ejemplo, de que podamos andar y que las ruedas del coche puedan rodar o que un coche se pueda parar cuando está en movimiento. 

Existe rozamiento incluso cuando no hay movimiento relativo entre los dos cuerpos que están en contacto aunque también existe cuando los objetos están quietos, la Fuerza de rozamiento estática y cuando el cuerpo empieza a moverse, hablamos de Fuerza de rozamiento dinámica que tiene valores menores que la primera.
La experiencia nos muestra que la fuerza de rozamiento entre dos cuerpos no depende del tamaño de la superficie de contacto entre los dos cuerpos, pero sí depende de cuál sea la naturaleza de esa superficie de contacto, es decir, de que materiales la formen y si es más o menos rugosa.  

 La fuerza producida por el peso P, mueve igual el bloque de la izquierda que el de la derecha, aunque éste presenta una superficie 3 veces mayor.

Por tanto si la fuerza de rozamiento no depende de la superficie de contacto ¿De qué depende? solamente del llamado coeficiente de rozamiento que el valor que expresa la oposición al deslizamiento que ofrecen las superficies de dos cuerpos en contacto.

El valor del coeficiente de rozamiento o fricción es característico de cada par de materiales en contacto; no es una propiedad intrínseca de un material. Depende además de muchos factores como la temperatura, el acabado de las superficies, la velocidad relativa entre las superficies, etc. La naturaleza de este tipo de fuerza está ligada a las interacciones de las partículas microscópicas de las dos superficies implicadas. Cuando dos superficies se unen, aunque parezca mentira, el contacto entre ellas se da solo en varios puntos aislados y debido a las fuerzas que se ejercen entre ellos,  la presión de contacto es muy alta en esos puntos. En dichos puntos se producirán deformaciones plásticas en el material más blando, formándose soldaduras y quedando ambas superficies unidas por fuertes uniones. Para romper estas uniones y mantener el movimiento relativo entre los dos sólidos, es necesaria una fuerza cuya medida es la fricción.  Así, contra más pulida esté una superficie, mayores “soldaduras” habrá y mayor será la fricción. Por tanto, cuantas más soldaduras se formen entre los dos materiales cuando friccionan dos superficies mayor será el coeficiente de rozamiento.

Bueno y ahora os preguntaréis ¿para que tanto rollo, si lo queremos saber cosas de la F1? Pues muy sencillo, este es un aspecto muy importante para comprender por qué se utilizan los discos de fibra de carbono en la F1, pero os dejaré intrigados y lo explicaré más tarde.

Características de los frenos.

La principal característica y diferenciación con los frenos de los coches de calle está en el material empleado. Los discos de F1 son de fibra de carbono con unas medidas bien fijadas. Deben de tener 278mm de diámetro y 28mm de espesor, lo que ahorra peso (1-1,5 kg por disco frente a los 3 kg de los de acero similares) y permite trabajar a temperaturas mucho mayores. Los sistemas de antiblocaje o de frenada asistida, el ABS están prohibidos, al igual que el enfriamiento hidráulico así que el “tacto” del piloto es fundamental, si se aplica una fuerza de frenado excesiva en una rueda superando el límite de adherencia del neumático, la rueda se bloquea provocando un plano en el neumático. A pesar de todas estas coacciones, la frenada de un F1 queda fuera de lo común.

 Al igual que la mayor parte de los coches de serie, los F1 tienen discos de freno que giran solidariamente con las ruedas y son aprisionados entre dos pastillas de freno mediante un sistema hidráulico cuando el piloto pisa el pedal de freno.

Cuando los frenos de carbono aparecieron en los años 80, los de acero fueron olvidados rápidamente. ¿Por qué? Por su capacidad de soportar temperaturas superiores a los 1.000ºC en cada una de las aproximadamente 800 frenadas de un Gran Premio sin desfallecer. Un sistema de acero puede llegar a aproximar los valores, pero nunca estará en condiciones de seguir el ritmo y de tener tantas desaceleraciones agrupadas en tan poco tiempo.

Cuando las pinzas de frenos hacen presión sobre los discos, el esfuerzo de los componentes es inmenso. Los coches de Fórmula 1 modernos llevan discos de freno de carbono-carbono (C-C), que son más duraderos que los de hierro utilizado en el pasado. En la F1 se utiliza el mismo material para el disco y la pastilla, de ahí su nombre pero ojo, un material muy distinto al de la fibra de carbono que se utiliza para el resto del coche. También se les llama discos cerámicos aunque estos tienen una capa superficial con unas características distintas al C-C.

Termografía.

 Debido a la alta temperatura a la que han de trabajar (es por esto que no se podrían emplear en coches de calle), tienen un funcionamiento al que los pilotos deben acostumbrarse. Por debajo de los 400ºC su rendimiento es relativamente pobre y es por eso que en los primeros milisegundos después de que el piloto pise el freno, no hay mucha respuesta. El retraso en la acción de los frenos es por el tiempo requerido para que disco y pastillas alcancen su temperatura de funcionamiento, temperatura que aumenta en 100ºC cada décima de segundo durante el primer medio segundo de frenada, tras lo cual pueden alcanzar hasta 1.200ºC pero su temperatura óptima de trabajo se mueve alrededor de los 650°C donde la frenada es inmediata y brutal.

Pero os preguntaréis ¿Por qué los F1 no frenan a bajas temperaturas? La respuesta viene dada por un factor muy importante, el llamado coeficiente de fricción que vimos antes.
El carbono-carbono es en esencia, carbono puro y extremadamente ligero (aprox. el 50% del peso del material standard) y también posee un nivel más alto de fricción en unas temperaturas adecuadas de operatividad. Llega aproximadamente al 0.6 en comparación del 0.3 de los materiales convencionales, siendo el valor máximo la unidad. Pero ¿en qué influye la temperatura en el frenado? Bien, volvemos al punto donde os dejé intrigados. Dije que la temperatura tenía una función muy importante para determinar el coeficiente de fricción, pero ¿Por qué? bien la causa es esta.
Voy a utilizar como ejemplo el material utilizado para los frenos de un F1, el carbono y vamos a retomar el tema de las soldaduras entre la materia. En el carbono, cuando la temperatura es inferior a 400º, el número de “soldaduras” que se producen cuando rozan la pastilla y el disco son mucho menores que a 650º. Al existir pocas uniones, no se produce tanta resistencia para poder partirlas ya que hay pocas y por tanto el coche frena poco. En estas circunstancias el material tiene un coeficiente de rozamiento bajo.  A 650º, la superficie del material se vuelve más blando haciendo que las deformaciones plásticas producidas por la presión entre la pastilla y el disco de carbono se multipliquen por tres. Si el material es más blando, el número de  soldaduras entre ambas superficies, que recordéis son muy fuertes también se multiplica por tres y haciendo que la frenada sea mucho mayor. En este caso el coeficiente es más alto.

Variación del coeficiente de fricción y desgaste por la temperatura.

 Si la temperatura sigue aumentando, pasando de los 800º el material sigue poniéndose más blando. Se hace tan blando que pierde consistencia y las soldaduras, aunque en un número aún mayor tienen menos fuerza. Para poneros un ejemplo de lo que sucede, si la sacáis de la nevera la mantequilla un día de calor y esperáis que obtenga la temperatura ambiente ¿A qué se puede extender mejor sobre el pan? Pues igual.
Por tanto la temperatura óptima de funcionamiento, donde el coeficiente de fricción es más alto es entre 400º a 800º, por encima o sobre todo por debajo de ese valor su efectividad es menor.    
Pues nada amigos, esa es la causa. Espero, al igual que me sucedió a mí, salir de la duda. Para el próximo artículo os mostraré las distintas partes de los frenos y más cosas curiosas pero eso será otra historia.