Come funzionano i freni

  • Cameron Merritt
  • 0
  • 2008
  • 507
La disposizione di un tipico impianto frenante. Guarda altre foto dei freni.

Sappiamo tutti che premendo il pedale del freno si rallenta l'auto fino a fermarsi. Ma come avviene questo? In che modo la tua auto trasmette la forza dalla tua gamba alle sue ruote? Come fa a moltiplicare la forza in modo che sia sufficiente per fermare qualcosa di 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:

  • Vantaggio meccanico (leva)
  • Moltiplicazione della forza idraulica

-I freni trasmettono la forza ai pneumatici utilizzando attrito, e le gomme trasmettono quella forza alla strada usando anche l'attrito. Prima di iniziare la nostra discussione sui componenti del sistema frenante, tratteremo questi tre principi:

  • Leva
  • idraulica
  • Attrito

Discuteremo la leva finanziaria e l'idraulica nella sezione successiva.

Contenuti
  1. Leva finanziaria e idraulica
  2. Attrito
  3. Un semplice sistema frenante
Il pedale è progettato in modo tale da poter moltiplicare la forza della gamba più volte prima che qualsiasi forza venga trasmessa al liquido dei freni.

-Nella figura sotto, 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, all'estremità destra della leva è disponibile una forza di 2F, ma agisce per metà della distanza (Y) di cui si muove l'estremità sinistra (2Y). La modifica delle lunghezze relative delle estremità sinistra e destra della leva cambia i moltiplicatori.

L'idea di base 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. Qui puoi vedere il sistema idraulico più semplice possibile:

Questo contenuto non è compatibile con questo dispositivo.

Sistema idraulico semplice

Nella figura sopra, due pistoni (mostrati in rosso) sono inseriti in due cilindri di vetro riempiti di olio (mostrati in azzurro) e collegati tra loro con un tubo pieno d'olio. Se si applica una forza verso il basso a un pistone (quello di sinistra, in questo disegno), 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 sul 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 serpeggiare attraverso ogni sorta di cose che separano i due pistoni. Il tubo può anche essere biforcato, in modo che un cilindro principale possa guidare più di un cilindro slave, se lo si desidera, come mostrato qui:

Questo contenuto non è compatibile con questo dispositivo.

Cilindro maestro con due slave

L'altra cosa bella di un sistema idraulico è che rende la moltiplicazione (o divisione) della forza abbastanza facile. Se hai letto How a Block and Tackle Works o How Gear Ratios Work, 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 cambiare le dimensioni di un pistone e di un cilindro rispetto all'altro, come mostrato qui:

Questo contenuto non è compatibile con questo dispositivo.

Moltiplicazione idraulica

Per determinare il fattore di moltiplicazione nella figura sopra, inizia osservando la dimensione dei pistoni. Supponiamo che il pistone a sinistra abbia un diametro di 2 pollici (5,08 cm) (raggio di 1 pollice / 2,54 cm), mentre il pistone a destra abbia un diametro di 6 pollici (15,24 cm) (raggio di 3 pollici / 7,62 cm) . L'area dei due pistoni è Pi * r2. L'area del pistone sinistro è quindi 3,14, mentre l'area del pistone destro 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 verso il basso di 100 libbre al pistone sinistro, una forza verso l'alto di 900 libbre apparirà sulla destra. 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.

Forza di attrito rispetto al peso

-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 il motivo, diamo un'occhiata da vicino a uno dei blocchi e alla tabella:

Poiché l'attrito esiste a livello microscopico, la quantità di forza necessaria per spostare un dato blocco è proporzionale al peso di quel blocco.

Anche se i blocchi sembrano lisci ad occhio nudo, in realtà sono piuttosto ruvidi a livello microscopico. Quando metti il ​​blocco sul tavolo, i picchi e le valli vengono schiacciati insieme e alcuni di essi potrebbero effettivamente saldarsi insieme. Il peso del blocco più pesante fa sì che si schiacci di più, quindi è ancora più difficile scivolare.

Materiali diversi hanno strutture microscopiche differenti; per esempio, è più difficile far scorrere la gomma contro la gomma che non far scorrere l'acciaio contro l'acciaio. Il tipo di materiale determina il coefficiente di attrito, il rapporto tra la forza richiesta per far scorrere il blocco al peso del blocco. Se il coefficiente fosse 1,0 nel nostro esempio, ci vorrebbero 100 libbre di forza per far scorrere il blocco da 45 kg o 400 libbre (180 kg) per far scorrere il blocco da 400 libbre. Se il coefficiente fosse 0,1, sarebbero necessarie 10 libbre di forza per scorrere 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 in rotazione. Maggiore è la forza che preme sul pad, maggiore è la forza di arresto.

Coefficienti

-Una cosa interessante dell'attrito è che di solito ci vuole più forza per rompere un oggetto che per mantenerlo scorrevole. C'è un coefficiente di attrito statico, dove le due superfici a contatto non scivolano l'una rispetto all'altra. Se le due superfici scivolano 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 scorre (come durante uno slittamento o un burnout), la trazione è notevolmente ridotta.

Prima di entrare in tutte le parti di un vero e proprio sistema frenante per auto, diamo un'occhiata a un sistema semplificato:

Questo contenuto non è compatibile con questo dispositivo.

Puoi vedere 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.

Puoi anche vedere che il diametro del cilindro del freno è tre volte il diametro del cilindro del pedale. Questo moltiplica ulteriormente la forza per nove. Nel complesso, questo sistema aumenta la forza del piede di un fattore 36. Se si esercita una forza di 10 libbre sul pedale, verranno generati 360 libbre (162 kg) alla ruota che schiaccia le pastiglie dei freni.

Ci sono un paio di problemi con questo semplice sistema. E se avessimo un file perdita? Se si tratta di una perdita lenta, alla fine non rimarrà abbastanza liquido per riempire il cilindro del freno ei freni non funzioneranno. Se si tratta di una perdita grave, la prima volta che applichi i freni tutto il fluido schizzerà fuori dalla perdita e avrai un guasto completo dei freni.

Il cilindro principale delle auto moderne è progettato per affrontare questi potenziali guasti. Assicurati di controllare l'articolo su Come funzionano le pompe freno e le valvole combinate e il resto degli articoli nella serie dei freni (vedi i link nella pagina successiva), per saperne di più.

-Articoli Correlati

  • Come funzionano le pompe freno e le valvole combinate
  • Come funzionano i freni a tamburo
  • Come funzionano i freni a disco
  • Come funzionano i servofreni
  • Come funzionano i freni antibloccaggio
  • Come funzionano le macchine idrauliche



Nessun utente ha ancora commentato questo articolo.

Gli articoli più interessanti su segreti e scoperte. Molte informazioni utili su tutto
Articoli su scienza, spazio, tecnologia, salute, ambiente, cultura e storia. Spiegare migliaia di argomenti in modo da sapere come funziona tutto