Los resbalones y los frenos ABS

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Esta entrada fue sacada del baúl de los recuerdos y (definitivamente) mejorada respecto a su versión original. Espero que sea de su provecho.
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Quien, manejando un carro, ha frenado repentinamente sabe que es fácil perder el control y que cuando el carro “patina” la dirección no responde, es una situación muy angustiante… ¿Qué está pasando?

Figura 1: (a) Una llanta que rueda tiene un solo punto de contacto con el suelo. (b) El movimiento de rotación de las llantas hace que el carro se traslade

Lo primero que debemos analizar son las fuerzas que actúan entre el suelo y las llantas del carro ya que, en última instancia, serán estas fuerzas las encargadas de mantener la estabilidad del automóvil en la carretera. Cuando una llanta rueda solo un punto de esta se encuentra en contacto con la carretera, ver la figura 1(a). La fuerza que actúa entre la carretera y la llanta se llama fuerza de fricción estática.

Al acoplar las llantas a la carrocería del carro (la carreta, la bicicleta, etcétera) el movimiento de rotación de estas genera un movimiento de traslación, haciendo del carro un medio de transporte que se mueve de un punto a otro (Ver figura 1b). Los frenos (como lo vimos en la publicación anterior) actúan directamente sobre las llantas, haciendo que dejen de rotar. Cuando se intenta frenar de forma súbita un auto que se mueve muy rápido, aún al detener por completo la rotación de las llantas, seguirá moviéndose pues no podemos obviar el gran impulso que trae el carro debido a su movimiento de traslación. Llegamos a una situación en la que con las llantas detenidas el carro sigue en movimiento, por lo que el punto de contacto entre el suelo y la llanta ahora desliza y cuando hay deslizamiento no actúa más la fricción estática si no la fuerza de fricción cinética.

Resulta que el valor de la fuerza de fricción cinética es menor que el de la fricción estática y por eso si las llantas se bloquean al frenar se termina por perder el control del carro.

Podemos intentar comprender la diferencia entre la fricción estática y la cinética desde un ejemplo que nos puede resultar común. Caminamos en un piso recién encerado o en una acera mohosa. Si lo hacemos con cuidado y poniendo el pie muy firme podemos ir dando los pasos, en este caso la fuerza que actuaría entre nuestro zapato y el suelo es la de fricción estática. Sabemos que en cualquier descuido o al intentar correr resbalaríamos, en ese momento empieza a actuar la fuerza de fricción cinética que al ser más pequeña que la estática nos hace perder el control de nuestro movimiento y ya no hay manera de decidir hacia donde vamos, el impulso mismo nos lleva.

De la misma manera si se maneja a una velocidad considerable y se frena intempestivamente las llantas terminarán por deslizarse sobre la carretera y debido a que estamos en un caso en que actúa la fuerza de fricción cinética, que es relativamente baja, el auto recorrerá una gran distancia antes de detenerse. A esto se debe sumar el hecho de que al frenar no necesariamente las cuatro llantas del carro van a la misma velocidad, las que van más rápido avanzan más que las otras y por eso es que el carro tiende a hacer trompos… Por cierto, si sienten que el carro va a “entrompar” suelten el freno, así recuperarán el control de la dirección.

Los frenos ABS (de las siglas de Anti-lock Braking System) evitan que al frenar las llantas lleguen al punto en que se detienen totalmente. Al mantener las llantas rodando interviene la fuerza de fricción estática, lo que nos dará don ventajas: una menor distancia de frenado y la posibilidad seguir dirigiendo el carro mientras se frena.

Su funcionamiento de manera básica es el siguiente:

Cada llanta cuenta con un sensor que mide su velocidad y la compara con la del carro, si el carro se sigue moviendo y la llanta va muy lento detecta que está a punto de bloquearse. En ese momento los sensores accionan unas válvulas que están conectadas a las mangueras de frenos con el fin de disminuir la presión en el freno de cada una de las ruedas según sea necesario, una bomba se encarga de recuperar la presión si se continúa presionando el pedal del freno. Al liberar la presión la llanta empieza a rodar y al recuperarla vuelve a detenerse, un sistema electrónico se encarga de repetir este proceso de pérdida y ganancia de presión sobre los frenos varias veces por segundo (unas 15 veces), a eso se debe el golpeteo que se siente en el pedal al activarse el ABS.

El resultado de esta operación es que el vehiculo se detenga en una menor distancia maximizando el poder de frenado ya que la llanta no llega a detenerse y resbalar, así la fuerza entre la llanta y el suelo es siempre la fuerza de fricción estática, esto da la posibilidad de tener control sobre la dirección en que viajará el carro.

Cuando no existía el ABS los manuales de manejo decían que al llegar a superficies resbaladizas, como una calle mojada, se debe frenar pisando y soltando el pedal. Ahora, quien tiene ABS puede frenar sin preocuparse de estar soltando el pedal ya que este sistema realiza el proceso de forma automática haciendo el frenado más seguro. Ver la figura 2.

Figura 2: (a) tenemos un carro con ABS: 1. frena súbitamente la llanta empieza a girar más lento pero el carro sigue en movimiento por lo que se activa el sistema ABS, 2. las llantas siguen rotando entonces es posible maniobrar el carro que responde al giro en el volante, 3. se logra esquivar el obstáculo. (b) un carro sin ABS: 1. se frena súbitamente, las llantas se bloquean y resbalan, 2. se intenta maniobrar pero al ir resbalando el carro no responde al cambio de dirección del volante, sigue avanzando de manera descontrolada en la dirección inicial y termina por impactar el obstáculo que tenía de frente. A este deslizamiento de las llantas sobre el pavimento se deben las huellas de frenado que vemos en las calles.