ELI5: Come fanno i freni a frenare?

Nella serie "Explain it like I'm 5" (Spiegami come se avessi 5 anni), analizziamo argomenti complessi in modo che anche un bambino di 5 anni possa capirli. Per guidarci in questo viaggio, abbiamo raccolto il parere di Gareth Thomas, Senior Engineer presso Polestar, che vanta tantissimi anni di esperienza nel mondo dei freni.Proprio come nelle edizioni precedenti di questa serie, iniziamo con un semplice corso accelerato di fisica. Quando un'auto è in movimento, le ruote hanno energia sotto forma di movimento, chiamata anche energia cinetica. Se premi il pedale del freno della tua auto, i freni applicano l'attrito alle ruote, ossia comprimono il disco del freno, convertendo l'energia cinetica in energia termica. L'energia cinetica dell'auto in movimento viene convertita in calore grazie all'attrito, un po' come lo sfregamento delle mani quando è freddo. Questa dissipazione di calore permette all'auto di fermarsi.Sebbene nel corso della storia dell'automobile siano esistite innumerevoli versioni di sistemi di frenatura, tutti condividono la necessità di attrito. Non c'è frenata senza attrito. Alcune delle primissime versioni di freni erano costituite da pezzi di legno che spingevano contro la ruota. Pur essendo tutt'altro che ottimali e causando una notevole usura della ruota, funzionavano comunque grazie all'attrito che riuscivano a creare.

Tamburi e freni idraulici

Come si fa ad applicare l'attrito alla ruota senza danneggiarla? I geniali costruttori di freni dei primi anni del '900 hanno trovato l'ingegnosa soluzione di attaccare un tamburo alla ruota. Il tamburo era dotato di due pastiglie resistenti al calore che spingevano contro il tamburo stesso. Poiché il tamburo era attaccato alla ruota, rallentando il tamburo si rallentava anche la ruota. Questo risolse il problema dell'usura della ruota, ma c'erano ancora varie falle nella loro armatura frenante.Le prime auto si affidavano a un complesso sistema di cavi e fili per trasmettere la pressione dal pedale alle ruote. Premendo il pedale si tirava il cavo del freno collegato alla ruota. Tuttavia, il problema di tale sistema era duplice: oltre alla tendenza dei fili a spezzarsi, la precisione necessaria per ottenere la stessa pressione di frenata su tutte le ruote rappresentava una sfida enorme. I fili non correttamente tesi facevano oscillare l'auto quando si premeva il freno.La soluzione a questo problema è arrivata con l'invenzione dei freni idraulici. I tubi dei freni idraulici sono tubi che collegano l'impianto frenante con i tamburi situati sulla ruota. Questi tubi sono riempiti di liquido dei freni che non può essere compresso, il che significa che trasmettono la forza creata dalla pressione del pedale del freno senza alcuna perdita di potenza. Utilizzando il liquido dei freni in pressione, premendo il freno si trasmette pressione a tutti i tubi dei freni simultaneamente. Negli anni '50, i freni idraulici erano gli unici sistemi di frenata utilizzati nelle automobili.Ora, grazie ai tamburi e ai tubi dei freni idraulici, siamo riusciti a convertire l'energia cinetica della ruota che gira in energia termica in modo controllato. Ma che ne è dell'energia termica che ci rimane?

Dischi e pinze

I freni troppo caldi sono disastrosi per la frenata. Se si surriscaldano, non riescono più a convertire l'energia cinetica in calore e si verifica il cosiddetto "brake fade" (perdita di potenza frenante dovuta al surriscaldamento). La soluzione è semplice: gettare via i tamburi e sostituirli con dischi e pinze.Il disco del freno si appoggia sulla ruota e scorre all'interno della pinza del freno. Mentre i freni a tamburo spingono verso l'esterno, i freni a disco funzionano comprimendo. La pinza spreme il disco e, come avrai già capito, questo crea… frizione.  Più grande è la combinazione di disco e pinza, migliore è la forza frenante.I freni a disco sono anche migliori per dissipare il calore. Questo avviene in diversi modi. Innanzitutto, la pinza non è racchiusa all'interno di un tamburo, il che consente al calore di fuoriuscire. In secondo luogo, i fori progettati nelle ruote permettono all'aria calda di uscire. In terzo luogo, i condotti di raffreddamento dei freni, che sono piccoli tunnel che vanno dalla parte anteriore dell'auto a quella posteriore dei freni, permettono all'aria fresca di raffreddare i freni. È un po' come sedersi davanti a un ventilatore che ti rinfresca durante una giornata calda.Anche se i freni a disco offrono una potenza di arresto superiore, i freni a tamburo non sono affatto male e non sono poco sicuri. I freni a disco sono molto più costosi da produrre e sostituire rispetto ai freni a tamburo. Inoltre, possono essere soggetti a corrosione se non vengono utilizzati frequentemente o se l'auto è rimasta parcheggiata a lungo. Poiché i freni a tamburo sono un sistema completamente chiuso, non si corrodono allo stesso modo. I freni a tamburo possono funzionare anche come freni di stazionamento, semplificando il sistema frenante.

Usura

Un approccio fondamentale per far durare i tuoi freni il più a lungo possibile è quello di evitare di fornire troppa energia al sistema. Ciò significa che, anziché frenare più bruscamente e più tardi, occorre cercare di frenare prima e con meno forza. Così facendo, la pressione che viene inviata al sistema frenante è minore e si riduce l'attrito tra il freno e il disco, il che fa sì che l'energia venga dissipata in modo più delicato.Nei mesi più freddi, alcuni sperimentano che il freno di stazionamento si "congela" se l'auto viene parcheggiata all'esterno in condizioni di freddo intenso. Per evitare questo inconveniente, parcheggia l'auto in un garage, se possibile, dove le temperature leggermente più calde possono evitare che ciò accada.Speriamo che questo corso accelerato ti abbia insegnato qualcosa in più sui freni. Se non ne hai abbastanza, premi la freccia qui sotto per saperne di più sui nostri freni e sul nostro partner di fama mondiale, Brembo.