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lunes, 3 de agosto de 2015

¿freno delantero o trasero? ¿cuál es más efectivo? ¿por qué?

¡El delantero!,  por el momento... 

- Compruébalo con el gráfico interactivo -


Si frenas demasiado con el trasero, derrapas. Sin embargo, con el delantero, puedes volcar, lo que se llama "salir de orejas". Voy a tratar de explicar esto, que más o menos sabemos todos, pero con alguna justificación física sencilla  y con  un gráfico interactivo hecho con geogebra.

Procura ir soltando el freno delantero...

Se comenta algunas veces que el reparto de la frenada es del 60% para la rueda delantera y el 40% para la trasera. ¿Qué hay de cierto en eso?.

En todos los coches y motos, se puede comprobar que el freno delantero es siempre más potente que el trasero. Incluso hay algunas bicis con más diámetro en el disco delantero que en el trasero. Tiene su lógica y, visto que hay algunos lectores que no se espantan cuando ponemos una ecuación o un numerito y que incluso lo agradecen (que majos y que frikis sois ;-) vamos a entrar en un poco más de detalle. Pero esta vez de forma "interactiva y visual". A ver si sale.


La idea es que para modelar el efecto de la frenada se plantea un equilibrio de fuerzas y un equilibrio de pares. No se plantea nada de conservación de la energía, que al frenar estaremos pasando todo a calor. Tampoco plantearé la diferencia en la forma de transmitir los esfuerzos de frenado de una zapatas frente a unos discos. Eso queda para el día que hablemos de los radios y sus disposiciones.

Como sabéis, el par, también llamado momento, es el producto de una fuerza por una distancia a un eje y es lo que produce el giro alrededor de ese eje.  Es la forma de explicar que, para abrir una puerta con una determinada aceleración, tengas que hacer el doble de fuerza si el pomo está en el centro de la hoja que si está en el extremo.

Las fuerzas aplicadas son las que frenan la bici y los pares son los que cargan de peso el eje delantero, quitándolo del trasero.

Usaremos vectores, que son simplemente una magnitud (peso o fuerza) asociada a un punto (en el que se aplica) con una determinada dirección. Y se representan como una flecha.

En el dibujo podéis ver una representación de una bici, su conductor y los pesos del conjunto sobre el suelo pintados como vectores, o sea, flechas.
Las barras de la izquierda permiten variar:
  • la posición en avance y altura del centro de gravedad del conjunto bici-bicicletero, representado como CDG.
  • el peso total 
  • las fuerzas de frenado delantera y trasera.
  • distancia entre ejes
  • radio de la rueda (33 cm es aprox una 29')
  • coeficiente de rozamiento de las ruedas con el suelo
Si quieres reiniciar, tienes el icono de las flechas circulares, arriba a la derecha



Las dimensiones están en cm y los pesos y fuerzas en kg (fuerza).

Para ver cómo era esto en bicis reales, usé el ejemplo que tengo más a mano, yo mismo. Medí los pesos sobre las ruedas con bici de montaña (orbea) y urbana (blanca) y estos son los resultados:
Orbea sola: 14,5 kg (incluye accesorios y herramientas)
Orbea conmigo:
  • peso trasera: 60,4 kg     peso delante:36,7 kg   
Blanca sola: 22,6 kg (incluye herramientas, cesta, soporte cesta  pero no el antirrobo, que son otros 1,6 kg)
Blanca conmigo:
  • peso trasera: 68,2 kg      peso delante:37 kg
Medirlo, como os podéis imaginar, tuvo su gracia: báscula de baño, unas tablas para asegurar la misma altura de ambas ruedas y varias medidas y cuentas para minimizar errores.
Haciendo unos números o moviendo los deslizadores del gráfico, podéis comprobar que entre el centro de gravedad de la mtb y el de la urbana, hay solo 3 cm de distancia. ¡muy poco para la enorme diferencia de comportamiento que tienen!

Como puedes comprobar con el gráfico, la forma de calcular el reparto estático (sin frenar) de pesos entre las ruedas es considerar que peso trasero=peso total * (EI/ IG)

Cuando aplicamos el freno sobre cualquiera de las ruedas, esa fuerza provoca una aceleración hacia atrás, que es la que frena ( con las típicas ecuaciones de  F=m*a y tal)

Pero, además, esa fuerza provoca un par sobre el centro de gravedad:
  • par= (fuerza freno delantero+fuerza freno trasero)* altura cdg
Ese par se compensa con una fuerza de incremento del peso delantero (ipd en el gráfico) y otra de incremento de peso trasero (ipt), que es hacia arriba, o sea, que reduce el peso trasero. Esas fuerzas, multiplicadas por sus distancias al cdg (GE y EI), equilibran el par. Además, esas fuerzas son del mismo valor, porque no hay un incremento de peso total real.

En el momento en que la fuerza de frenado de una rueda sea superior al coeficiente de rozamiento (u con palito=mu ;) multiplicado por el peso que tengamos en esa rueda, derrapará. Eso pasará fácilmente en la rueda trasera, porque pierde peso al frenar. Sin embargo en la delantera el peso siempre aumenta proporcionalmente al frenado total por lo que, se la puede hacer derrapar en recto, quitando mucho peso o si el coeficiente de rozamiento es muy bajo, pero es menos habitual. Afortunadamente.

Los valores típicos del coeficiente de rozamiento son de 0,6 para asfalto seco, 0,4 en mojado pero puede bajar hasta 0,25 en asfalto cuando empieza a llover o 0,1 para carretera cubierta de hielo.

La fuerza límite que soporta una rueda antes de derrapar se llama adherencia y es:
 Adherencia = mu *peso aplicado

Por eso, al frenar, la rueda delantera tiene mayor adherencia y, al acelerar, la adherencia mayor está en la rueda trasera. Un fórmula 1 con tracción delantera sería un desastre. Por eso también, en una curva, con fuerzas centrífugas, se reduce la capacidad de frenado y derrapa antes el vehículo.

Vemos que si frenas lo suficiente con la trasera, siempre derrapará. Una vez que derrapa la trasera, no podemos frenar más con esa rueda (aunque el gráfico no lo sabe ;-). En el caso de la delantera, cuanto más frenamos, más se incrementa el peso, por lo que sería más difícil derrapar en recto (aunque mucho más peligroso). En el momento en que ipt sea superior al peso sobre la rueda trasera, volcaremos hacia delante y saldremos de orejas

De este modelo simplificado, se sacan unas cuantas conclusiones:
  • La fuerza de frenado, mientras no llegues a derrapar con la rueda trasera, tiene el mismo efecto con cualquiera de las ruedas y su reparto depende de cómo quieras aplicar la fuerza sobre los frenos.
  • Siempre derrapas con la trasera si frenas con suficiente fuerza.
  • Si frenas con demasiada fuerza con la delantera, saldrás de orejas, salvo que derrapes.
  • Se frena más justo antes de salir de orejas que antes de derrapar con la trasera, por lo que normalmente podrás frenar más con el delantero. Cuidadín!
  • Al subir o adelantar el centro de gravedad, es más fácil volcar hacia delante ( y viceversa)
  • El tamaño de las ruedas no influye, pero sí la distancia entre ejes, por la posición del cdg.
Lo más importante es que los modelos simplificados están muy bien y son didácticos, pero para conducir y frenar fuerte de verdad hay que tener en cuenta unas cuantas cosas más. Como que solo puedes frenar fuerte con el delantero si vas completamente recto. En curva o terreno complicado te puede derrapar hacia un lado, con una leche casi asegurada. Derrapar con la rueda trasera no suele ser demasiado problemático, salvo en asfalto y curva. En ese caso, al derrapar pierde mucha tracción. Lo que significa que, al dejar de derrapar, gana mucha tracción. Si lo haces en curva, te puede pegar un latigazo lateral peligroso.

En realidad, el frenado máximo se consigue, sobre todo, moviéndose hacia atrás y abajo y frenando fuerte, evitando que las ruedas derrapen y se levante la trasera. En los vehículos que pesan mucho más que su conductor, como la postura influye menos (en motos) o nada (coches) lo que hacen para que la trasera no derrape tan fácil es darle menos potencia de frenado que a la delantera.

Espero que el tema haya quedado más o menos claro. En cualquier caso, ya sabéis que la mejor forma de probar todo esto no es con el ordenador, papel y boli sino subido en una bici.
Y sin salir despedido hacia delante! (por favor ;-)

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