Know How: Φρένα Part II

Know How: Φρένα Part II

Ενέργεια, αυτός ο Highlander της φύσης

Αν ρωτήσεις καποιον στον δρόμο ποια είναι η δουλειά των φρένων, θα σου απαντήσει να σταματήσουν το αυτοκίνητο. Στην πραγματικότητα αυτός είναι απλά ο απώτερος σκοπός, αλλά ουσιαστικά τα φρένα καθ’ αυτά είναι εκεί για να μετατρέψουν «απλά» μία προϋπάρχουσα ποσότητα μίας μορφή ενέργειας σε μία άλλη μορφή ίδιας ποσότητας. Όσο βαρβάτες και να είναι οι δαγκάνες, όσο πυρωμένοι και να είναι οι δίσκοι, όλα αυτά δείχνουν μόνο ένα πράγμα: ότι τα φρένα κάνουν δουλειά και βγάζουν το ψωμί τους απλά μετατρέποντας ενέργεια.

Ο Πρώτος Νόμος της Θερμοδυναμικής είναι όχι απλά ο μπούσουλας μας εδώ, αλλά ο αναμφισβήτητος κανόνας μας όταν μιλάμε για την αποστολή των φρένων. Τι μας λέει..? Ότι η ενέργεια ούτε δημιουργείται ούτε καταστρέφεται, απλά αλλάζει μορφή. Δεν πα να είσαι ο Τσακ Νόρρις, το μόνο που μπορείς να κάνεις είναι να την μετατρέψεις από έναν τύπο ενέργειας σε έναν άλλο και όχι να την συνολικά μεγαλώσεις ή ελαττώσεις. Υπάρχει μία εξαίρεση εδώ βέβαια, έρχεται η κβαντομηχανική του Αινστάιν να μας πει, κι αυτή είναι αν το FR σας ταξιδεύει κοντά σε ταχύτητες του φωτός, αλλά το θεωρώ δύσκολο, ακόμα και με τη νέα υβριδική τουρμπίνα… Για όλες τις άλλες περιπτώσεις όμως, η φάση με την ενέργεια και τις μορφές της έχει ως εξής: όλα ξεκινάνε από την χημική ενέργεια του καυσίμου που γεμίζεται στο ρεζερβουάρ. Από όση τέτοια βάλετε μέσα, το ένα τρίτο περίπου ο κινητήρας θα το μετατρέψει σε χρήσιμη κινητική ενέργεια, αρχικά του στροφάλου-βολάν του και μετά μέσω της μετάδοσης και τον τροχών του σε κινητική ενέργεια ολόκληρου του οχήματος. Τα υπόλοιπα δύο τρίτα, θα γίνουν, δυστυχώς, «άχρηστη» θερμική ενέργεια που χάνεται στο περιβάλλον, με το ένα τρίτο να φεύγει μέσω του ψυκτικού (και δευτερευόντως του λαδιού) και του ψυγείου/ψυγείων, και το άλλο ένα τρίτο μέσω της εξάτμισης. Τα φρένα είναι υπεύθυνα για τη μετατροπή του πρώτου ενός τρίτου, δηλαδή της χρήσιμης κινητικής ενέργειας.

Το κύριο «εργαλείο» μετατροπής ενέργειας στην περίπτωση μας εδώ είναι η τριβή. Την γνωρίσαμε όσο πιο απόκρυφα γίνεται στο «The Power of Knowledge» που θα βρείτε αυτή τη στιγμή στα περίπτερα, (τι ακόμα δενν το πήρατε..???), αλλά να την εδώ πάλι μπροστά μας μιλώντας για φρένα, όπου θα την δούμε από την άλλη της πλευρά, την αντίστροφη, δηλαδή όχι ως εργαλείο αύξησης της κινητικής ενέργειας του οχήματος, αλλά μείωσης του. Με απλά λόγια τριβή είναι αντίσταση, η δύναμη που αντιστέκεται στην σχετική κίνηση δύο αντικειμένων που είναι σε επαφή μεταξύ τους μέσω κάποιας διεπιφάνειας. Η τριβή (μένουμε εδώ στην ιδανική-θεωρητική τριβή Coulomb) έχει πάντα αντίθετη φορά προς αυτή της κίνησης, και μέτρο ίσο με το γινόμενο του βάρους του αντικειμένου σε Newton (το οποίο με τη σειρά του είναι το γινόμενο της μάζας σε κιλά επί την επιτάχυνση της βαρύτητας που είναι 9,81m/s^2) επί τον αδιάστατο συντελεστή τριβής (τριβής ολίσθησης κατά βάσει εδώ στα φρένα, ο λίγο μεγαλύτερος στατικός συντελεστής τριβής θα μας απασχολήσει μονάχα όταν μιλήσουμε για ABS αργότερα). Όταν έχουμε ένα τούβλο πάνω στο εδάφος και αρχίζουμε να το σπρώχνουμε, αυτό αποκτά κινητική ενέργεια. Ένα κομμάτι αυτή της ενέργειας καθώς το σπρώχνουμε μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια πάνω στο τούβλο και στο έδαφος μέσω της δύναμης της τριβής, ενώ αν σταματήσουμε να το σπρώχνουμε ΟΛΗ η κινητική νέργεια που έχει εκείνη τη στιγμή θα μετατραπεί σε θερμική μέσω της τριβής. Πώς υπολογίζουμε όμως την κινητική ενέργεια και πόση είναι όμως αυτή η όταν μιλάμε για αυτοκίνητα αντί για τούβλα, όπου η μετατροπή θα πρέπει να γίνει (κυρίως) από τα φρένα και όχι από μόνη της..?

 

Κινητική ενέργεια: είναι πολλά τα jouleΆρη…

Πριν δούμε πως θα σταματήσει ή έστω επιβραδυνθεί το πράμα μας, πάμε να δούμε σε τι επίπεδο ενέργειας μας έφτασε πρώτα αυτό το άτιμο το μοτέρ. Η κινητική ενέργεια, σε joule (J), είναι το μισό του γινομένου της μάζας σε κιλά επί την ταχύτητα σε m/s στο τετράγωνο. Επειδή όμως είμαστε συνηθισμένοι στα km/h, τα m/s βγαίνουν αν διαιρέσουμε τα km/h με 3,6. Ήδη μάνι μάνι από τον βασικό τύπο είναι εμφανές ότι η ταχύτητα είναι πολύ πιο σημαντική από τη μάζα στην ανάπτυξη κινητική ενέργειας, με άλλα λόγια πολύ μεγαλύτερος εχθρός των φρένων είναι το με πόσα πάει το πράμα παρά τοπόσο ζυγίζει. Και τα δύο μετράνε αλλά πολύ περισσότερο μετράει το πόσο παραπάνω πατάμε το γκάζι από το αν φορτώσαμε και τρεις βαλίτσες παραπάνω πίσω. Πάμε να δούμε παραδείγματα στη πράξη όμως γιατί τους τύπους πολλοί εμίσησαν, τα αποτελέσματα τους όμως ουδείς.

Ένα αμάξι που ζυγίζει κομπλέ με εμάς και όλα τα κλαμπατσίμπαλα μέσα 1500 κιλά, έχει μηδέν κινητική ενέργεια όταν περιμένει στο φανάρι και 0,5 x 1500 x (100/3,6) x (100/3,6) = 579 KJ. Αν στο ίδιο αμάξι κοτσάρουμε από πίσω ένα τρέιλερ με ένα αμάξι πάνω συνολικής μάζας άλλων 1500 κιλών, τότε η κινητική ενέργεια διπλασιάζεται, δηλαδή  0,5 x 3000 x (100/3,6) x (100/3,6) = 1158 KJ. Τα φρένα μας πρέπει διαχειριστούν διπλάσιο θερμικό φορτίο. Αν τώρα το ίδιο αμάξι αντί για τοποθέτηση τρέιλερ το επιταχύνουμε στα 200km/h η κινητική ενέργεια και το δυνητικό θερμικό φορτίο των φρένων ΤΕΤΡΑΠΛΑΣΙΑΖΕΤΑΙ, δηλαδή 0,5 x 1500 x (200/3,6) x (200/3,6) = 2.316 KJ. Αν το εργαλείο μας μπορέσει να φτάσει τα 300km/h χωρίς να διαλυθεί, τότε η κινητή του ενέργεια ENNIAΠΛΑΣΙΑΖΕΤΑΙ,  0,5 x 1500 x (300/3,6) x (300/3,6) = 5.208 KJ. Για να καταλάβουμε τα μεγέθη καλύτερα, ας κάνουμε δύο πράγματα: πρώτον να συνειδοτοποιήσουμε ότι τα φρένα δεν έχουν να διαχειριστούν την ίδια παραπάνω διαφορά θερμικού φορτίου όταν από τα 100km/h πήγαμε στα 200km/h σε σχέση με όταν από τα 200km/h πήγαμε στα 300km/h, παρόλο που η διαφορά στην ταχύτητα είναι ίδια και στις δύο περιπτώσεις: στη πρώτη περίπτωση αυξήσαμε την κινητική ενέργεια κατά 2.316-579=1.737KJ, ενώ στη δεύτερη κατά 5.208-2.316=2.892 KJ, 66% περισσότερο δηλαδή.  Το δεύτερο που έχει πλάκα να κάνουμε είναι να δούμε με πόσα km/h πρέπει να πηγαίνει π.χ. ένα κάρτ 200 κιλών, ώστε τα φρένα του να έχουν να αντιμετωπίσουν το ίδιο θερμικό φορτίο με το αυτοκίνητο πιο πάνω στα 200km/h. Ξέρω, εδώ πρέπει να λάβουμε υπόψιν και την αεροδυναμική που θα το επιβράδυνει σοβαρά σε αυτά τα χιλιόμετρα αφήνοντα το γκάζι βοηθώντας τα φρένα, θα το αναφέρουμε και αυτό παρακάτω, δεν ξεχνάμε ΤΙΠΟΤΑ λέμε. Για να έχει λοιπόν το καρτ μας 2.316 KJ κινητική ενέργεια θα πρέπει να πηγαίνει με την τετραγωνική ρίζα του 2.316 / (0,5 x 200), δηλαδή με 152,1m/s, δηλαδή με 548km/h..! Βλέποντας αντίστροφα έτσι τα νούμερα λοιπόν, καταλαβαίνει κανείς γιατί για ίδιες ταχύτητες μία Lotus Elise θέλει πολύ «λιγότερο φρένο» από ένα Nissan GT-R.    Και όλα αυτά έχοντας «ξεχάσει» την κινητική ενέργεια περιστροφής των τροχών, δηλαδή θεωρώντας πως η μάζα των τροχών απλά είναι μέσα στα 1500 κιλά και το πράμα έχει κινητική ενέργεια σαν να το στείλαμε στο διάστημα, δηλαδή μόνο μεταφορική κινητική ενέργεια: στη πραγματικότητα πρέπει να υπολογίσουμε και την επιπλέον περιστροφική κινητική ενέργεια των δισκόπλακων, των τροχών και όλης της μετάδοσης λόγω της ροπής αδρανείας τους (δηλαδή την κινητική ενέργεια που θα είχε το αυτοκίνητο αν επιτάχυνε στο δυναμόμετρο ή το επιταχύναμε σηκωμένο στο αναβατόριο με τους τροχούς στον αέρα): ανάλογα με την ροπή αδρανείας και την γωνιακή ταχύτητα των τροχών, η περιστροφική κινητική ενέργεια μπορεί να είναι χοντρικά χοντρικά κοντά στο 10-15% της συνολικής κινητικής ενέργειας του οχήματος, δηλαδή του αθροίσματος της μεταφορικής με την περιστροφική (για περισσότερες λεπτομέρειες για την περιστροφική κινητική ενέργεια και τη ροπή αδρανείας και το πως βγαίνει αυτό το 10-15% που ανέφερα παραπάνω, όπως είπαμε σας παραπέμπω στο κεφάλαιο των τροχών στο «The Power of Knowledge», ακόμα εδώ είστε..???). Στα πιο πάνω παραδείγματα λοιπόν τα φρένα πρέπει τελικά να διαχειριστούν 600+KJ στα 100km/h, 2.600+ KJ στα 200km/h και κοντά 6.000 KJ στα 300km/h! 

 

Και η δυναμική ενέργεια..?

Όλα τα παραπάνω ισχύουν για φλατ καταστάσεις, δηλαδή όταν ξεκινάμε και τελειώνουμε στο ίδιο υψόμετρο, δηλαδή όταν η δυναμική μας ενέργεια δεν αλλάζει, δηλαδή όταν η μηχανική μας συνολική ενέργεια (=κινητική συν δυναμική ενέργεια) προέρχεται από κινητική ενέργεια. Στη πράξη καθημερινά η δυναμική ενέργεια όχι μόνο δεν είναι αμελητέα, αλλά μπορεί αναλόγως είτε να αυξήσει τρομακτικά το συνολικό φορτίο ενέργειας που θα πρέπει να επιβραδύνουμε (αν π.χ. κατεβαίνουμε ένα βουνό) ή να το βοηθήσει κατά πολύ π.χ. σε μία ανάβαση πλαγιάς. Με άλλα λόγια, τυπικά το θερμικό φορτίων που θα κληθούν να αντιμετωπίσουν τα φρένα εξαρτάται από την μηχανική ενέργεια του οχήματος και όχι από την κινητική σκέτη. Η δυναμική ενέργεια είναι απλή μαθηματικά: είναι, σε Joule πάντα, το γινομένο της μάζας σε κιλά επί το ύψος αναφοράς (ή τη διαφορά ύψους) σε μέτρα επί 9,81. Έστω ότι το αμάξι του παραδείγματος πάει πάλι με 100km/h αλλά θέλουμε να το φρενάρουμε καθώς αυτό κατεβαίνει την μεγάλη κατηφόρα στα διυλιστήρια της Μότορ Όιλ πριν τα διόδια του Ισθμού στην Ε.Ο. Αθηνών-Κορίνθου. Το Google Earth είναι φίλος μας, και μας λέει ότι το υψόμετρο στη κορυφή του λόφου είναι 50m ενώ στα διόδια έχουμε υψόμετρο μόλις 20m από το επίπεδο της θάλασσας. Η δυναμική ενέργεια εδώ είναι 1500 x (50-20) x 9,81 = 441 KJ, δηλαδή άμεσα συγκρίσιμη με την κινητική ενέργεια των 579KJ πιο πάνω, και άρα η μηχανική ενέργεια είναι σχεδόν διπλάσια, 441+579=1.020KJ. Μιλάμε ότι τα φρένα θα πρέπει να μετατρέψουν σχεδόν διπλάσια μηχανική ενέργεια σε θερμική για να σταματήσουμε στα διόδια εγκαίρως και να μην καρφωθούμε στο κουβούκλιο. Η επίδραση της διαφοράς υψομέτρου ποσοτικοποιείται ακόμα καλύτερα αν δούμε αυτά 1.020KJ στα 100km/h με 30m υψομετρική διαφορά, πόση ταχύτητα θα σήμαιναν αν δεν είχαμε να κάνουμε με ανέβα-κατέβα: η τετραγωνική ρίζα του 1.020 / (0,5 x 1500) είναι 37m/s, δηλαδή 133km/h: το ίδιο θερμικό φορτίο που θα είχαν τα φρένα για να μας ακινητοποιήσουν από τα 100km/h στην κατηφόρα των διυλιστήριων θα είχαν και αν μας σταματούσαν από τα 133km/h αν προχωράγαμε κάπου φλατ. Αντίστροφα φυσικά σε μία ανάβαση από πλευράς φρένων θα ήταν σαν να πηγαίναμε με λιγότερα χιλιόμετρα από ότι πραγματικά πηγαίνουμε. Προσοχή λοιπόν όταν καβαλήσετε το Πήλιο και πάτε προς Αιγαίο γιατί η ωραία θέα αρέσει σε όλους εκτός από φρένα σας...

 

Κάντα λιανά σε άλογα φίλε…

To προηγούμενο μήνα στον πρόλογο του Part I γράφαμε ότι «Μία Ferrari 488 Pista κάνει το 0-300 σε 19,2 δευτερόλεπτα. Το ίδιο αυτοκίνητο κάνει το 300-0 σε 7,5 δευτερόλεπτα: ποιό από τα δύο είναι πιο εντυπωσιακό νούμερο..?!». Για το 0-300 σε 19,2 ξέρουμε ότι συγκεκριμένο αμάξι χρειάζεται 720 άλογα στρόφαλο, πες καμιά 630 τροχό. 630PS / 463KW λοιπόν κινητήρια ισχύ επιτάχυνσης. Πώς μεταφράζονται σε άλογα τα 7,5sec του 300-0 λοιπόν από πλευράς ισχύος φρένων..?! «Ισχύς φρένων»..? Τι μας λες ρε μπάρμπα..? Αμέ…Εφόσον έχουμε κινητική ενέργεια και αυτή πρέπει να μετατραπεί σε θερμική σε συγκρεκριμένο χρονικό διάστημα, μπορούμε να υπολογίσουμε την ισχύ των κεραμικών φρένων της Ιταλίδας: η κινητική της ενέργεια στα 300 είναι 0,5 x 1385 x (300/3,6)^2=4.810KJ . Βάλε και 10% περίπου περιστροφική κινητική ενέργεια και πάμε πες στα 5.300KJ. Η μέση ισχύς επιβράδυνσης που απέδωσε το σύστημα πέδησης στα 7,5 sec που χρειάζεστηκε να την ακινητοποιήσει είναι 5.300 / 7,5 = 707KW, δηλαδή 961 άλογα παρακαλώ. Η μέση επιβράδυνση είναι (300/3,6)/7,5=1,13G, οπότε καταλαβαίνει κανείς ότι ακόμα και σε τέτοιο αυτοκίνητο δρόμου από πλευράς επιτάχυνσης (θετικής ή αρνητικής) πιο πολύ πιέζεται το κορμί στο μπροστινό μέρος από τη ζώνη κατά την επιβράδυνση/αρνητική επιτάχυνση από ότι στο πίσω μέρος από το κάθισμα κατά την επιτάχυνση (με άλλα λόγια σε ένα απλό αυτοκίνητο που δεν θα πιάσει 1G στην επιτάχυνση ποτέ του, ο μόνος τρόπος για να αισθανθείτε 1G στην πλάτη είναι να κάτσετε με κάποιο τρόπο ανάποδα με την πλάτη στη φορά κίνησης κοιτώντας προς τα πίσω δηλαδή και να τσαρουχώσετε το φρένο, η αίσθηση στη πλάτη θα είναι η ίδια με την επιτάψυνση 1G με πρώτη ενός πολύ γρήγορου αυτοκινήτου). Είναι να σέβεται λίγο παραπάνω τα φρένα κάποιος βλέποντας αυτά τα νούμερα ε..? Στην πραγματικότητα η ισχύς αυτή δεν οφείλεται ολόκληρη στα φρένα, εκτός κι αν μιλάμε ότι η 488 κινείται σε …κενό, αλλά και σε άλλα…

 

Φρένα που δεν είναι …φρένα

Δεν μας επιβραδύνουν όμως μόνο τα φρένα ως σύστημα πέδησης: μέρος της επιβράδυνσης, υπό συνθήκες καθόλου μα καθόλου αμελητέο ειδικά αν δεν …βιαζόμαστε να σταματήσουμε, έρχεται και από άλλους παράγοντες-πηγές. Κατά μία έννοια, και ο ορισμός του «θα γυρίσει ο τροχός θα φρενάρει κι ο φτωχός», ενώ αυτές θεωρούνται «παράσιτα» κατά την επιτάχυνση, κατά την επιβράδυνση ξεκουράζουν το σύστημα πέδησης αφού λειτουργούν υπέρ του στην ίδια κατεύθυνση (κυριολεκτικά και μεταφορικα) αντί να το κοντράρουν. Κάποιους από αυτούς τους παράγοντες πέδησης του ελέγχουμε σε έναν βαθμό ως οδηγοί, κάποιους όχι και θα μας φρενάρουν θέλουμε δεν θέλουμε. Σε πολύ γενικές γραμμές, το σύστημα πέδησης είναι υπεύθυνο για το 50-75% της μετατροπής της κινητικής ενέργειας του οχήματος σε θερμική, και το υπόλοιπο προέρχεται από όλα τα παρακάτω.

Η πρώτη χείρα βοηθείας είναι η τριβή κύλησης στα ελαστικά, η οποία έχει να κάνει με τις τριβές στην εσωτερική δομή του πέλματος και του οποίου την θερμοκρασία αυξάνει. Αυτή σαν μέγεθος είναι πολύ μικρότερη από την τριβή ολίσθησης που περιγράψαμε πιο πάνω, αλλά σε καμία περίπτωση δεν είναι αστεία: στο αυτοκίνητο των 1500 κιλών πιο πάνω και με σωστά φουσκωμένα λάστιχα, η τριβή κύλησης τρώει περίπου 10 ίππους στα 100km/h και 20 ίππους στα 200km/h, όμως σε αντίθεση με την επιτάχυνση, στα φρένα αυτά τα άλογα ΠΡΟΣΤΙΘΕΝΤΑΙ εδώ στην ισχύ πέδησης. Με άλλα λόγια είναι άλογα πέδησης τα οποία γλιτώνουν τα φρένα από το αντίστοιχο θερμικό φορτίο όπως το υπολογίσαμε πιο πάνω στο Φερραρικό. Και εδώ μαντέψτε τι πρέπει να αγοράσετε από το περίπτερο για να μάθετε τα πάντα με λεπτομέρειες για αυτήν.

Δεύτερος «κλασικός» παράγοντας επιβράδυνσης και ανακούφισης του κυρίως συστήματος πέδησης είναι το μοτέρ με την μετάδοση.Από την μία είναι το γνωστό «φρενάρισμα» με τον κινητήρα όπου εκεί η κινητική ενέργεια του οχήματος ουσιαστικά περνάει θερμοδυναμικά στον εισερχόμενο αέρα στους κυλίνδρους καθώς το μοτέρ δουλεύει σαν αεραντλία. Από την άλλη έχουμε τις απώλειες μετάδοσης όπου ενώ κατά την επιτάχυνση μας τρώνε το γνωστό 10-12% για τα δικίνητα / 15-20% για τα τετρακίνητα από το στρόφαλο στους τροχούς, στα φρένα είναι σύμμαχοι μας αφού αποβάλλουν κινητική ενέργεια ως θερμότητα στην ατμόσφαιρα και τις βαλβολίνες μέσω των τριβών γραναζίων και εδράνων.

Ο τρίτος και σημαντικότερος ποσοτικά παράγοντας από τους τρεις αυτούς ως τώρα είναι η αεροδυναμική και συγκεριμένα η οπισθέλκουσα. Για να καταλάβει κάποιος πόσο ισχυρή είναι ως πεδηση αυτή η δύναμη αρκεί να τελικιάσει και να αφήσει τελείως το γκάζι με νεκρά στο σασμάν: «τοίχος» από αέρα. Πόσο ισχυρός είναι ο τοίχος αυτός στο παράδειγμα της Ferrari πιο πάνω..? Στην τελική της στα 340km/h την επιβραδύνουν πρακτικά με όλα τα άλογα που έχει στο τροχό πλην καμιά 30αριά από την τριβή κύλησης, δηλαδή καμιά 600άρα τροχό…Φυσικά όσο επιβραδύνουμε και η ταχύτητα πέφτει, το ίδιο κάνει και η οπισθέλκουσα και μάλιστα στο τετράγωνο της ταχύτητας: στις υψηλές ταχύτητες μας βοηθαέι τρομερά, αλλά κάτω από τα 150-200km/h η επίδραση της πμειώνεται δραματικά και τα φρένα καθαυτά επωμίζονται όλο το θερμικό φορτίο. Εδώ έρχονται άλλωστε και κουμπώνουν όλα τα αερόφρενα των σουπέρκαρ εδώ και δεκαετίες, τα οποία όταν μπαίνουν σε λειτουργία στα πολλά κοντράρουν σε επιβράδυνση το ίδιο το σύστημα πέδησης, αφού από μόνα τους δίνουν στα πάρα πολλά km/h ένα έξτρα 0,5-0,6G επιπλέον επιβράδυνσης.

Ο τέταρτος παράγοντας θα ήταν φυσικά εξωτερικός, να καρφωθείτε πουθενά, αλλά εδώ δεν μιλάμε για φρένα αλλά για …εξωτερική αναγκαστική πέδηση. Με εξαίρεση αυτόν τον …τέταρτο παράγοντα, όλοι οι άλλοι τρεις επιβραδύνουν το αυτοκίνητο αλλά όχι με τον ρυθμό που πάντα θέλουμε, και ακριβώς εδώ έρχεται το σύστημα πέδησης να προσφέρει τις υπηρεσίες του από απαρχής του αυτοκινήτου: ουσιαστικά προστέθει λοιπόν εξαναγκασμένη ελεγχόμενη πέδηση στους τρεις πιο πάνω παράγοντες, έτσι ώστε ο συνολικός χρόνος και απόσταση πέδησης να μειωθεί κατά το δοκούν. Αν βάλετε στο παιχνίδι και το regenerative braking των υβριδικών-ηλεκτρικών, όπου η κινητική ενέργεια γίνεται ηλεκτρική μέσω των γεννητριών πίσω στις μπαταρίες, ολοκληρώνεται το ενεργειακό παζλ της πέδησης για όλη τη γκάμα τεχνολογιών.

 

Πώς όλα αυτά τελικά μεταφράζονται σε θερμοκρασίες φρένων

Ωραία όλα αυτά τα Joule και τα KJ πάνω τα οποία από κινητικής μορφής γίνονται θερμικής, αλλά τελικά για τα φρένα καθαυτά στο τέλος μας νοιάζει άλλο φυσικό μεγεθος το οποίο επεισέρχεται αφού λάβουμε εκτός από την θερμική ενέργεια και την μάζα συν το υλικό των φρένων: η θερμοκρασία τους. Κάθε υλικό έχει ως φυσική ιδιότητα την λεγόμενη ειδική θερμοχωρητικότητα του, που είναι το ποσό θερμότητας που απαιτείται για να ανέβει μία μονάδα μάζας του υλικού κατά ένα βαθμό θερμοκρασίας. Όσο πιο μεγάλη είναι αυτή, τόσο πιο καλό ως υλικό φρένων είναι κάποια ουσία αφού σημαίνει πως απαιτείται περισσότερη περισσότερη θερμική ενέργεια για να αυξήσει την θερμοκρασία του. Πρακτικά σημαίνει πόση θερμότητα μπορεί να κρατήσει το υλικό στην μονάδα της μάζας μέχρι να μπει σε θερμοκρασίες που αρχικά θα το κάνουν να αποδίδει από πλευράς συντελεστή τριβή ολίσθησης, ενώ μετέπειτα μιλάμε ακόμα και για νούμερα που πλησίαζοντας το σημείο τήξης του αλλάζουν την σκληρότητα του: και δεν χρειάζεται να φτάσουμε τους 1500 βαθμούς Κελσίου που είναι μια τυπική θερμοκρασία λιωσίματος του μαντεμιού για να λιώσει ο δίσκος σαν τον Τ-1000 στο Terminator 2 (το 6 του χρόνου εκτός από Άρνι και Χάμιλτον έχει και πάλι τον Κάμερον στο τιμόνι, θα σκίζειιιιιι), καθώς η θερμοκρασία ανεβαίνει το υλικό μαλακώνει και χάνει τις μηχανικές ιδιότητες του από πολύ πολύ νωρίτερα: αυτός είναι και ο λόγος που, κόντρα στους συνομοσιολόγους ανά το κόσμο, στους δίδυμους πύργους το 2001 δεν χρειάστηκε να φτάσει το μέταλλο του σκελετού του κτηρίου το σημείο τήξης για να καταρρεύσει. Η ειδική θερμοχωρητικότητα π.χ. του άνθρακα (3.700 βαθμοί Κελσίου σημέιο τήξης) είναι 60% μεγαλύτερη από του μαντεμιού και άρα χοντρικά ένας αγωνιστικός δίσκος φρένων από carbon ίδιας μάζας μπορεί να σηκώσει 60% περισσότερη θερμική ενέργεια για ίδια τελική θερμοκρασία. Όταν φτάσουμε στα δισκόφρενα, θα τα δούμε πιο αναλυτικά αυτά με τα διαφορετικά υλικά. Για την ώρα κρατάμε ότι σε πάνω από 400 βαθμούς Κελσίου ένα μέσο σύστημα φρένων επιβατικού έχει αρχίσει χάσει για τα καλά την απόδοση του η οποία ιδανικά δεν πρέπει να ξεπεράσει τους 250 βαθμούς για σωστή απόδοση, ενώ αντίθετα ένα αγωνιστικό σύστημα με κεραμικά και ρέστα δεν είναι απίθανο να φτάσει ή ξεπεράσει τους 700. Εκτός από την ειδική θερμοχωρητικότητα που είναι ανεξάρτητη από την μάζα του υλικού, εδώ π.χ. το βάρος και τις διαστάσεις των δίσκων, υπάρχει και η ολική θερμοχωρητικότητα που λαμβάνει υπόψιν και το πόσο υλικό έχουμε και είναι γινόμενο της ειδικής με την μάζα του υλικού. Αυτή πολύ λογικά είναι που τελικά καθορίζει το πόσο θα αυξηθεί η θερμοκρασία των φρένων μας, αφού φυσικά εκτός από το υλικό των δίσκων-τακακίων ως γνωστόν παίζει ρόλο και το πόσο μεγάλα είναι αυτά.

Υπάρχουν πολλοί εμπειρικοί τύποι που μας δίνουν χοντρικά την αύξηση της θερμοκρασίας των φρένων ανάλογα με το θερμικό φορτίο που παίρνουν (όπως είδαμε την κινητική ενέργεια του οχήματος δηλάδη), το υλικό των φρένων και την μάζα των φρένων. Ένας κλασικός που δίνει την αύξηση της θερμοκρασίας σε Fahrenheit είναι αυτός που λέει οτί αυτή ισούται με την κινητική ενέργεια (σε ft-lb, 1KJ=737,56ft-lb) συν το βάρος των φρένων (με την παραδοχή ότι με καλή ακρίβεια το μέσο υλικό δίσκων-δαγκανών-τακακίων καθορίζεται από αυτό των δίσκων ως αναλογία μάζας) σε λίβρες (1kg=2,2lb)  συν 77,8 (για δίσκους από μαντέμι). Αν στα παραπάνω λοιπόν βάλουμε κινητική ενέργεια από 120km/h μέχρι άμεση ακινητοποίηση με ένα φρενάρισμα για ένα αυτοκίνητο 1.360 κιλών και συνολικό βάρος μαντεμένιων φρένων 23 κιλά, θα μας βγει ότι από θερμοκρασία περιβάλλοντος 30 βαθμών Κελσίου το μαντέμι θα φτάσει τους 100 περίπου βαθμούς. Για να πάρετε μία ακραία ιδέα των μεγεθών, αν αντί για 23 κιλά μαντέμι στο ίδιο αυτοκίνητο αφήναμε 2,3 κιλά δίσκους από …παπί, τότε οι δίσκοι θα πιάναν 825 βαθμούς Κελσίου στο πρώτο φρενάρισμα (και άρα στο δεύτερο φρενάρισμα δεν θα δουλεύαν ποτέ δηλαδή αφού το fade θα ήταν ανελέητο, αλλά αυτό είναι το λιγότερο αφού θα ήταν στο κατόφλι λιωσίματος), ενώ αν στο ίδιο αμάξι θεωρητικά φοράγαμε δίσκους 230 κιλών συνολικά (από αμαξοστοιχεία π.χ.), η θερμοκρασία θα ανέβαινε μόλις στους 29 βαθμούς Κελσίου. Γιατί όχι, τα παιδία παίζει και στα φρένα…

 

Αρθρογράφος