¿El ABS acorta la distancia de frenado de un automóvil?

El objetivo del frenado es disipar la energía cinética. No la energía cinética de la rueda como dijiste, sino la energía cinética del automóvil, aunque puedes hacerlo a través de la transmisión a la rueda. Algunos camiones o autobuses en realidad frenan al transformar parte de su KE en electricidad, que en algún momento se puede reutilizar o se disipa en calor como corrientes de Foucault (o Foucault).

Sin embargo, la forma más común de disipar la energía cinética es la fricción. En el caso de los coches hay dos fricciones posibles: entre el freno y la rueda (ojalá no la goma en sí) y entre la goma y la carretera.

Pero hay disipación de energía solo si hay movimiento con fricción (cinética) que crea una fuerza de resistencia (en el caso del frenado por fricción). La palabra cinética está entre paréntesis porque puede requerir más precisión (ver más abajo).

Cuando el automóvil rueda normalmente, no hay fricción cinética (o es marginal) porque la rueda está en reposo con respecto a la carretera en la parte de contacto. Si frena, es posible que esto ya no sea cierto, porque es posible que la rueda no gire lo suficientemente rápido. En algunas superficies, como una carretera mojada (pero aparentemente no en todas las superficies), la fricción es más importante si la velocidad de la parte de la rueda en contacto con la carretera no es demasiado importante en relación con la carretera. Más allá de cierta velocidad, el neumático puede incluso surfear sobre una fina capa de agua, y la fricción disminuye, disipando así menos energía. Esto sucede mucho más rápido si bloquea los frenos.

Por lo tanto, con los frenos bloqueados, no se disipa energía por fricción en los frenos y las ruedas pueden patinar demasiado rápido para disipar la energía de manera eficiente. Por lo tanto, lleva más tiempo disiparse, lo que significa más tiempo para detenerse.

La situación ideal es disipar energía tanto en los frenos como en las gomas. Pero eso no es fácil de conseguir, porque el coeficiente de rozamiento estático suele ser mayor que el coeficiente dinámico. Tan pronto como la rueda comienza a patinar, la fuerza de reacción de fricción de la rueda que conservó algo de movimiento en los frenos puede volverse demasiado baja para que los frenos permitan el movimiento, y los frenos se bloquean, ya no brindan disipación y aumentan aún más el patinaje. velocidad de la rueda.

El ABS evita el bloqueo de los frenos eliminando brevemente la fricción, y permite que las ruedas giren un poco, para que la velocidad relativa de su contacto con la carretera no sea demasiado alta.

Pero, ¿por qué debería funcionar en una carretera seca? Según Wikipedia , hay otro fenómeno a considerar. La transición del coeficiente de fricción estático al dinámico no es un fenómeno discontinuo. Aparentemente, la "fuerza de frenado máxima se obtiene cuando hay aproximadamente un 10% -20% de deslizamiento entre la velocidad de rotación de la rueda frenada y la superficie de la carretera", más allá del cual "el agarre de rodadura disminuye rápidamente" a fricción cinética. Así que ahí es donde la disipación de calor es máxima, ya que la máxima disipación requiere el máximo movimiento con la mayor fricción compatible con el movimiento (en realidad, es el producto el que debe maximizarse). El papel del ABS será soltar cuando el deslizamiento se vuelva demasiado importante para que el deslizamiento permanezca en el rango óptimo (además de los problemas anteriores).

Pero aparentemente algunas superficies se comportan de manera diferente, y el ABS en realidad puede frenar más lentamente . Supongo que esto se debe a las propiedades específicas de la función que relaciona la fuerza de fricción y la velocidad de deslizamiento para ese tipo de superficie en contacto con ruedas de goma. Pero en esa superficie, la ventaja de mantener un mejor control del automóvil, al patinar menos, también es un problema.

Otra función de los sistemas ABS es distribuir el esfuerzo de frenado entre las ruedas delanteras y traseras. Las ruedas delanteras y traseras tienen diferente presión interna, por lo tanto, diferente superficie de contacto con la carretera. También están sometidos a diferentes fuerzas a medida que el coche frena (más fuerza en la parte delantera), por lo que el coeficiente de rozamiento actúa con mayor eficacia allí donde la fuerza es mayor. Por lo tanto, el control de deslizamiento debe diferir en la parte delantera y trasera. También puede equilibrar izquierda y derecha si por alguna razón los dos lados se comportan de manera diferente.

@tohecz planteó un último problema. ¿Dónde se debe disipar la energía, o de acuerdo con qué relación entre los frenos y el camino de goma? Su opinión es que debería estar en el sistema de frenado, no en el contacto rueda-carretera. No encontré ninguna información que indique que, si hay una opción, debería uno más que el otro, pero de hecho puede ser preferible ahorrar los neumáticos (realmente no lo sé). Sin embargo, vale la pena considerar el problema y el grado de libertad de elección.

Podemos analizar un poco esta relación considerando casos extremos. Si bloquea las ruedas (suponiendo que no haya ABS), no se disipa energía en los frenos. Por lo tanto, todo se disipa en el contacto caucho-carretera. Por otro lado, si frenas lentamente, la superficie de las ruedas permanece en contacto estático con la carretera (no se necesita ABS) y toda la energía se disipa en los frenos. Esto va en contra de la creencia de que el frenado violento podría calentar el sistema de frenado: el frenado frecuente y lento lo hará, mientras que el frenado violento sin ABS calentará y desgastará la goma.

Entonces, la cuestión de la relación, con un sistema ABS, ocurre realmente solo cuando frena lo suficientemente fuerte como para que las ruedas patinen y el ABS pueda usarse para controlarlo. En este caso, un análisis adecuado realmente requeriría trabajar con cifras reales, ya que hay muchos escenarios posibles.

Debería darse el caso de que el frenado óptimo, con la disipación de energía más rápida, imponga una presión precisa sobre los frenos, lo que dará como resultado una relación de disipación precisa entre los frenos y la goma. Sin embargo, dado el comportamiento hipo del sistema ABS, esto corresponde probablemente a un ajuste inestable que requiere un control dinámico de la presión para no salir de la zona de disipación óptima. No encontré ninguna información sobre esta proporción.

Si la presión sobre el pedal del freno no indica la urgencia de un frenado rápido, el sistema ABS probablemente puede elegir, de acuerdo con su programación, qué cantidad de presión aplicar y cuándo, para determinar dónde se disipará la mayor parte de la energía. entre frenos y goma. Pero no parece haber mucha información pública al respecto.

Una última observación es que la elección de la presión óptima para cualquier resultado deseado también debe depender de la velocidad actual del automóvil. Probablemente sea difícil obtener un deslizamiento de un automóvil muy lento. Por lo tanto, el proceso también debe controlarse dinámicamente por esa razón.

Nota : En este análisis del frenado ABS, el lector atento habrá notado que hablo de fuerzas, cuando en realidad deberían ser pares en muchos casos. Mis razones para hacer esto son las siguientes:

• el problema principal es la fricción y las fuerzas de fricción, que se convierten en pares debido a la estructura de los dispositivos considerados;

• hablar de par obligaría necesariamente a la descripción a introducir consideraciones de tamaño (radio de la rueda y de los frenos), lo que complicaría el análisis sin aportar ninguna información esencial sobre el ABS;

• este es solo un análisis cualitativo, sin utilizar cifras reales. Por supuesto, el desarrollo de fórmulas completas requeriría incluir problemas de tamaño y considerar los pares. Pero consideré más simple no hacer eso aquí.

Para disipar cualquier malentendido y cualquier acaloramiento que pudiera derivarse de ello, debo dejar en claro que me pareció un problema interesante en el que trabajar, pero que no tengo experiencia particular, e hice lo que pude con la información que pude. encontrar. Los comentarios y las críticas son bienvenidos.

No estoy 100% seguro. Pero la forma en que creo que el ABS disminuye la distancia de frenado es que la fricción estática entre los neumáticos y la carretera será mayor que la fricción cinética. Por lo que bloquear los neumáticos frenando fuerte, sin ABS, supondrá que habrá un rozamiento cinético entre los neumáticos y la carretera. Sin embargo, dejar que los neumáticos se rompan lo suficientemente fuerte como para alcanzar la máxima fricción estática (lo que básicamente hace el ABS) significará que tendrá una mayor fuerza actuando sobre el automóvil y, por lo tanto, el automóvil se detendrá en una distancia más corta.

Sin ABS, un conductor experimentado frenará con más ligereza tan pronto como sienta que se traba. Algún tiempo después, presionaría el freno nuevamente, quizás no tan fuerte esta vez. La computadora, por otro lado, puede aplicar una ENORME fuerza de frenado, hasta el punto de que la rueda APENAS se bloquea por una fracción de segundo, luego se suelta y se repite. Si piensa en términos de impulso y cantidad de movimiento, la mayor fuerza de ruptura puede compensar el menor tiempo total que se aplica. Si el impulso de la fuerza de frenado de cada bomba del ABS es mayor de lo que entregaría una persona, esto significa que se requiere menos tiempo y distancia para detener el automóvil. Resulta que este es el comportamiento observado cuando personas reales conducen automóviles en la mayoría de las condiciones, aunque no siempre es así.

Hay algunos puntos a considerar:

• La conducción no solo se realiza sobre pavimento. La fricción en el sistema de frenado es predecible, porque los materiales no varían. Pero las superficies de conducción varían. Los sistemas de frenos antibloqueo son particularmente útiles sobre hielo o grava suelta. Si las ruedas se bloquean en el hielo, el automóvil se desliza hacia adelante sobre una fina capa de agua, con poca fricción. Evitar el bloqueo permite que las ruedas permanezcan unidas al hielo, por lo que los frenos pueden disipar la energía cinética. La idea es tratar de mantener el agarre que los neumáticos puedan lograr, de modo que las ruedas se muevan con la carretera y la fricción entre las pastillas de freno y los rotores/tambores pueda disipar energía.

• Frenar no se trata solo de reducir la velocidad o detenerse, sino de mantener el control mientras se hace eso. Las ruedas bloqueadas pueden provocar un derrape peligroso. Las ruedas no necesariamente se bloquean al mismo tiempo en ambos lados, especialmente si hay una transferencia de peso de la dirección al frenar.

• En los automóviles con transmisión manual, cuando las ruedas motrices se bloquean, el motor puede detenerse. En una carretera resbaladiza, esto puede ocurrir a velocidades a las que el conductor no está acostumbrado a pisar el embrague al frenar.

El ABS no está destinado a acortar la distancia de frenado, este sistema es para prevenir el deslizamiento cuando ocurre entre el rugido y el neumático debido a que la fuerza ejercida excede la fuerza de fricción. El ABS activado por las señales de los sensores al panel de control y, en consecuencia, los comandos del panel de control para disminuir el líquido de frenos, permitiendo así ligeramente la aceleración. Luego vuelve a aumentar la cantidad de fluido, es decir, la fuerza hidráulica aumenta el fluido a través de la bomba instalada. Por lo tanto, si tiene algo de física básica, puede ver que el ABS administra el frenado, pero se produce un aumento insignificante en la distancia de frenado.

TLDR: el ABS proporciona un manejo más estable y mejora la fricción con la carretera al garantizar un contacto estático (en lugar de dinámico). Esto puede mejorar la distancia de frenado.

El ABS (sistema de frenos antibloqueo, en inglés) mide la rotación de las ruedas y ajusta la presión de frenado (ya sea de manera continua o pulsante) para evitar que las ruedas se bloqueen. Esto mejora el manejo y la distancia de frenado.

Cuando los frenos se bloquean, la dirección de la (pequeña) fuerza entre la carretera y el neumático es directamente opuesta a la dirección del movimiento; por el contrario, cuando la rueda está rodando, la dirección de la fuerza es en ángulo recto. Esto último significa que si el automóvil termina apuntando en dirección opuesta a la dirección del movimiento (comenzando a patinar), la rueda trasera rodante tiende a proporcionar una fuerza de recuperación; una rueda trasera bloqueada no impide que el automóvil siga girando. Por eso es importante frenar con más fuerza con las ruedas delanteras que con las traseras: da estabilidad (si las delanteras se bloquean, sigues en línea recta y ya no puedes girar; si las traseras se bloquean, patinas). Asegurarse de que las ruedas no se bloqueen, por lo tanto, mejora el manejo.

En cuanto a la distancia de frenado: el frenado elimina la energía cinética del automóvil. Esta energía debe disiparse, ya sea entre los neumáticos y la carretera, o entre las pastillas de freno y los rotores. En una carretera mojada, el perfil de un neumático rodante asegura que el agua sea expulsada, por lo que hay cierto contacto entre la goma y la carretera. Cuando la llanta se bloquea, el agua tiende a acumularse frente a la rueda y proporciona una "película" continua de agua sobre la cual la rueda puede deslizarse con una fricción mínima.. Con baja fricción entre la rueda y la carretera, no se disipa energía durante el frenado. Al restaurar la rotación de la rueda, aumenta la fricción de contacto. Este es un caso particularmente llamativo de la diferencia general entre fricción cinética y dinámica: cuando dos superficies no se mueven una respecto a la otra, la fuerza para que comiencen a deslizarse es mayor que la fuerza necesaria para que sigan deslizándose si ya se están moviendo.

El coeficiente de fricción cinética SIEMPRE es más bajo que el coeficiente de fricción estática (stiction) (por definición/en virtud del asunto). Excepto en grava suelta y nieve, el ABS SIEMPRE proporciona una mayor aceleración que frenar con las ruedas bloqueadas. Por supuesto, para los neumáticos sobre asfalto, la fricción estática frente a la fricción es un modelo simplificado, pero el modelo correcto, que utiliza el deslizamiento, dice exactamente lo mismo: la aceleración máxima para un 10 % de deslizamiento, que es en lo que el ABS mantiene los neumáticos, es de ~ 1,1 g en carreteras secas, mientras que la aceleración por fricción dinámica (ruedas bloqueadas, por lo que no hay ABS) es de ~ 0,85 g. Para carreteras mojadas, la proporción es casi la misma: ~ 0,75 g frente a ~ 0,55 g. Encontré esta fuente, que desafortunadamente está en alemán, pero el gráfico debería ser fácil de interpretar:

https://www.leifiphysik.de/mechanik/reibung-und-fortbewegung/ausblick/reifen-aus-gummi-ein-kompliziertes-reibungsproblem

Tenga en cuenta que su conclusión: "Si el ABS permite que la rueda gire en algún ángulo, en este momento no hay fricción entre la rueda y el suelo" es incorrecta. El ABS no libera completamente los frenos de manera intermitente, solo hasta que el deslizamiento disminuye y durante ese tiempo, la aceleración no es cero. Es solo un poco más bajo que la aceleración por fricción dinámica pura y solo por un tiempo muy corto. Después de que el deslizamiento aumentó nuevamente, la aceleración es mucho mayor y durante más tiempo.

Por supuesto, el ABS se puede superar, pero solo por ~ 0,05 g (para automóviles normales) y debe ser muy preciso. Los pilotos de autos de carrera hacen eso todo el tiempo cuando se acercan a una esquina. Pero esta es una situación completamente diferente a una interrupción de emergencia en el tráfico por parte de la gente común. En realidad, estoy bastante seguro de que incluso muchos pilotos de carreras profesionales pisarían el freno con pánico en tal situación.