¿Por qué los frenos de disco generan "más potencia de frenado" que los frenos de llanta?

Question

Los frenos de bicicleta generalmente se dividen en dos categorías principales: frenos de llanta donde las pastillas de freno se pellizcan contra la llanta de la rueda, y frenos de disco donde las pastillas presionan contra un disco (rotor) que está rígidamente unido al buje de la rueda.

La sabiduría común es que los frenos de disco son de mayor calidad y ofrecen una mejor potencia de frenado. Pero las pastillas de freno de disco están mucho más cerca del centro de la rueda, lo que significa que tienen que ejercer más fuerza para producir la misma cantidad de torque. ¿Esto no significaría una menor potencia de frenado?

Answer 1

Para ambos frenos de llanta y frenos de disco, el factor limitante es la fricción entre los neumáticos y la carretera, es decir, ambos tipos de freno pueden aplicar suficiente fuerza para hacer que las ruedas derrapen. Por lo tanto, no es cierto que los frenos de disco ofrezcan más fuerza de frenado.

Donde los frenos de disco hidráulicos ganan es que los frenos de llanta requieren un cable¹ que va desde la palanca hasta los frenos y esto introduce flexibilidad ya que el cable y el recubrimiento se deforman bajo cargas. Un freno de disco hidráulico reemplaza el cable por un fluido incompresible, lo que reduce la flexibilidad y mejora la sensación, y esto le da al ciclista un mejor control del frenado. Por lo tanto, el frenado se mejora, pero debido a un mayor control no a una mayor fuerza de frenado.

Es correcto que para obtener el mismo par de un freno de disco se requiere una mayor fuerza de fricción entre las pastillas y el disco. Esto se logra fácilmente dando a los frenos de disco una mayor ventaja mecánica, es decir, el mismo movimiento de la palanca produce un menor desplazamiento de las pastillas de freno.

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¹ Estoy asumiendo que la comparación es entre frenos de llanta con cable y frenos de disco hidráulicos. Un comentario señala que existen frenos de llanta hidráulicos, pero parece que se usan raramente. También existen frenos de disco con cable, pero estos no ofrecen las ventajas de los frenos de disco hidráulicos.

Answer 2

En primer lugar, los frenos de disco no ofrecen una "mejor potencia de frenado", esa afirmación del artículo es incorrecta. Sin embargo, no importa. Tanto los frenos de disco como los frenos de llanta pueden proporcionar suficiente potencia de frenado para bloquear la rueda: el factor limitante es la fuerza de tracción del neumático, no la pastilla de freno.

Hay varias ventajas de los frenos de disco sobre los frenos de llanta que sí importan.

• La llanta está más cerca de la carretera y es más probable que se ensucie la superficie, reduciendo así la potencia de frenado, a veces de forma impredecible.
• Cuando se utilizan frenos de llanta, hay que fabricar las ruedas con una superficie de frenado muy plana que no se puede pintar y que debe proporcionar suficiente fricción. Por lo tanto, no se pueden utilizar ruedas de fibra de carbono completo. Un disco se puede acoplar a cualquier rueda.
• El freno de disco se puede cambiar a uno de diferentes diámetros para adaptarse a sus preferencias: aplicar más o menos presión para producir la fuerza de frenado deseada, algo que no se puede hacer con los frenos de llanta. Además, las pastillas de freno de disco pueden utilizar cilindros hidráulicos, aplicando una relación mayor que de 1 a 1.
• Las ruedas con frenos de disco se pueden hacer más ligeras porque el área superficial estructural es más pequeña.

Answer 3

La mayoría de las respuestas aquí se centran en la fuerza de frenado.

Por otro lado, la pregunta se trata de la potencia y estamos en Physics.SE, así que esto es lo que sucede con la potencia de frenado:

El frenado genera calor. Una bajada empinada puede requerir un frenado continuo que genere calor en el rango de 1-2 kilovatios.

Casi todo este calor va a las llantas (cuando se usan frenos de llanta) o al disco (en frenos de disco).

Las llantas están limitadas en su capacidad de disipación de calor primero por la presencia del neumático (limitando la temperatura segura) y segundo por el material de las pastillas (generalmente caucho, que también sufre el calor).

Los discos, por otro lado, pueden estar hechos de acero o incluso hierro fundido, por lo que pueden llegar a estar casi al rojo vivo sin meterse en problemas graves. De hecho, el hierro fundido puede estar más que al rojo vivo sin deteriorarse, son las pastillas las que limitan la temperatura segura.

Debido a que los discos sirven a un solo propósito, pueden ser fabricados con tolerancias geométricas mucho más estrictas que las llantas, lo que permite el uso de materiales resistentes al calor en las pastillas también.

Como sabemos, las superficies más calientes son mejores disipando el calor que las menos calientes. Todos los tipos de intercambio de calor (conducción de calor, convección, radiación) se intensifican a temperaturas más altas.

Answer 4

Una gran parte de por qué los frenos de disco son vistos como superiores tiene significativamente más que ver con la ingeniería que con la física.

En particular, una de las superficies de frenado para los frenos de llanta es la llanta de la rueda. La llanta es un componente estructural clave de la rueda, no es barato de reemplazar (las llantas nuevas no son caras, pero requieren construir nuevas ruedas, y construir ruedas es un esfuerzo de habilidad bastante alto que lleva una cantidad no trivial de tiempo hacerlo correctamente, por lo que no es barato), y también tiene una cantidad limitada segura de calor que puede disipar (porque el calentamiento de las llantas calienta los neumáticos, las cámaras, y posiblemente los radios, y que estos se calienten demasiado es una muy buena manera de hacer que las cosas fallen, posiblemente de forma catastrófica). Esto pone un límite práctico en la cantidad de fuerza (y por lo tanto par) que se puede aplicar con frenos de llanta, porque no se debe generar demasiado calor y no desgastar demasiado las llantas (este segundo punto es por qué las pastillas para frenos de llanta casi siempre son de goma dura, necesitan ser el único componente sacrificial aquí). Esto también, bastante importante para los ciclistas competitivos, significa que es absurdamente caro usar frenos de llanta con una llanta de fibra de carbono, porque necesitas reforzar especialmente el área de frenado y diseñarla para disipar el calor lejos del resto de la llanta.

Por otro lado, los frenos de disco tienen ambas superficies de frenado completamente desacopladas de cualquier componente estructural clave, generalmente son menos costosos de reemplazar (los buenos rotores son más caros que las buenas llantas, pero los costos laborales son al menos un orden de magnitud más bajos porque cualquier persona con las herramientas adecuadas y un conocimiento mecánico básico puede reemplazar los rotores de freno en una bicicleta), y pueden disipar de manera segura mucho más calor (de hecho, la mayoría están diseñados especialmente para disipar calor). Esto significa que aunque necesitan más fuerza para producir el mismo par, pueden aplicar significativamente más fuerza de manera segura de lo que se puede hacer con frenos de llanta.

Hay un puñado de otros aspectos que hacen que los frenos de disco sean populares aunque no tengan que ver con la potencia de frenado:

• Los frenos de disco hidráulicos son mucho más fácilmente disponibles que los frenos de llanta hidráulicos. Estos eliminan una gran cantidad de mantenimiento regular si se instalan correctamente (se ajustan automáticamente y las líneas no se alargan o resbalan como eventualmente lo hacen los cables Bowden), y también proporcionan un control mucho más preciso sobre la cantidad exacta de fuerza aplicada.
• Si se utilizan neumáticos más anchos que las llantas (relativamente común en las bicicletas modernas diseñadas para uso off-road), es necesario ajustar o desengranar los frenos de llanta para quitar la rueda, pero no es necesario hacer nada especial para los frenos de disco.
• Porque los rotores de freno de disco están más alejados del borde de la rueda, tienden a no ensuciarse tanto como las llantas, lo que a menudo hace que se comporten mejor que los frenos de llanta en condiciones húmedas, heladas o fangosas. Además, incluso si se ensucian, la mayor fuerza involucrada en el frenado significa que la suciedad a menudo no importa tanto.
• Porque el rotor también es un componente sacrificial, las pastillas para frenos de disco pueden ser hechas mucho más duraderas que las pastillas para frenos de llanta, lo que ayuda a compensar el costo de las pastillas de freno más caras.

Answer 5

Otra consideración importante a favor de los frenos de disco en autos, motocicletas y trenes de aterrizaje de aviones es que se deshacen del calor por fricción más rápido de lo que puede hacerlo un freno de tambor, lo que reduce la degradación de frenos (donde la potencia de frenado disminuye a medida que el freno se calienta con un uso intensivo).