Come frenavano le persone mille anni fa? L'evoluzione del sistema frenante
Si dice che mille anni fa, quando gli antichi guidavano le carrozze trainate da cavalli, si affidassero essenzialmente allo sforzo manuale per ogni cosa: pompavano per fare rifornimento, tiravano per svoltare, suonavano il clacson con la bocca e frenavano con le gambe, beh, le gambe del cavallo. Alla fine, dopo innumerevoli lezioni apprese con sangue e lacrime, le persone si resero conto che quando si andava in discesa, affidarsi esclusivamente alle gambe del cavallo non solo sfiniva il cavallo, ma metteva anche in pericolo il conducente.
Così nacque il primo sistema frenante. Le persone usavano un pezzo di legno come pastiglia del freno per creare attrito con la ruota, fornendo forza frenante. Sebbene il legno a volte facesse fumo quando si azionavano i freni, era sufficiente per le carrozze che si muovevano lentamente. Infatti, sistemi frenanti con strutture simili possono essere visti ancora oggi. I freni a cerchione per biciclette, ad esempio, si sono evoluti dalla rettifica della superficie del pneumatico alla rettifica del cerchione, ma il principio rimane simile.
Da quando è emersa la macchina a vapore nel XVIII secolo, la potenza dei veicoli è passata dall'uomo e dagli animali alla macchina e la velocità è aumentata, ma i sistemi frenanti hanno subito pochi cambiamenti. All'inizio del XX secolo, che si trattasse di una carrozza trainata da cavalli, di un treno o di una delle prime automobili, il sistema frenante funzionava in modo simile a quelli utilizzati con le carrozze precedenti. Il risultato? Anche su terreni pianeggianti, si verificavano comunque incidenti. Fortunatamente, nel 1900, un genio di nome Wilhelm Maybach progettò il primo freno a tamburo per automobile. Vi suona familiare? Ancora oggi, alcuni camion e autovetture di fascia bassa utilizzano ancora freni a tamburo.
Casualmente, solo due anni dopo, nel 1902, un altro genio, Frederick William Lanchester, progettò il primo freno a disco, che è il sistema frenante utilizzato in oltre l'80% delle auto odierne, inclusa la Xiaomi SU7. Si potrebbe pensare che i freni a disco siano arrivati molto più tardi dei freni a tamburo, ma non è così. I freni a disco hanno requisiti più elevati per i materiali delle pastiglie dei freni. I primi dischi erano fatti di ferro e le pastiglie di rame, che si consumavano rapidamente. Immagina di partire per un viaggio in famiglia con spuntini, birra, carte da gioco e tre set di pastiglie dei freni: deludente, vero? Quindi, a causa delle limitazioni nella tecnologia dei materiali, i freni a disco non sono diventati popolari.
I freni a tamburo, tuttavia, hanno anche i loro problemi. Il loro design limita intrinsecamente la dissipazione del calore, rendendoli inclini al decadimento termico. Ciò rimane vero anche per i moderni freni a tamburo. Ma con il miglioramento della tecnologia dei materiali, i freni a disco hanno ricominciato a guadagnare attenzione. Le prime pastiglie dei freni erano fatte di amianto, ma l'amianto aveva un difetto fatale: non era ecologico. Le fibre di amianto derivanti dall'usura potevano essere inalate e causare danni polmonari irreversibili, motivo per cui le tegole in amianto, un tempo comuni nella mia infanzia, non vengono più utilizzate. Inoltre, l'amianto è un cattivo conduttore di calore, quindi era difficile raffreddarsi dopo l'attrito della frenata.
Successivamente, vennero sviluppate pastiglie freno semi-metalliche, sostituendo l'amianto con lana d'acciaio per aumentarne la durezza. Ma ora la conduzione del calore era troppo buona. La temperatura saliva rapidamente e il sistema frenante rimaneva caldo, causando un invecchiamento più rapido delle parti in gomma, come guarnizioni e tubi flessibili. Le alte temperature vaporizzavano anche l'acqua nel liquido dei freni, rendendo i freni morbidi. Oltre a ciò, l'attrito metallo su metallo causava rumore a basse velocità e i freni si arrugginivano facilmente quando pioveva.
A causa di questi inconvenienti, è stata sviluppata una nuova generazione di pastiglie freno: materiali a basso contenuto metallico. Come suggerisce il nome, queste pastiglie avevano meno contenuto di metallo. Sebbene non fossero così durevoli, le loro prestazioni di frenata erano migliori delle pastiglie semi-metalliche ed erano più silenziose, spesso utilizzate in auto che danno priorità al comfort. Alla fine, sono emerse le pastiglie freno a base ceramica, che utilizzano fibre ceramiche per il rinforzo. Queste pastiglie di fascia alta sono resistenti al calore, offrono un attrito stabile e un rumore ridotto. Inoltre, poiché non contengono metallo, non lasciano polvere dei freni difficile da pulire sulle ruote. Lo svantaggio? Sono costose.
Ma i freni in ceramica non sono nemmeno i più costosi. Esiste un'opzione di livello ancora più elevato: i freni in carbonio. Questi sono disponibili in due varianti: carbonio-ceramica e carbonio-carbonio. Uno è un composito di fibre di carbonio e ceramica, mentre l'altro è fatto interamente di carbonio. Entrambi offrono un'eccellente conduttività termica, resistenza alle alte temperature, una forte forza frenante e leggerezza, il che li rende più durevoli. Ecco perché i freni in carbonio si trovano in genere su auto da corsa, auto sportive di lusso e aeroplani. Per i conducenti di tutti i giorni, tuttavia, non sono realmente rilevanti a causa del costo.
Dopo tutta questa discussione sui freni a disco, potresti chiederti se i freni a tamburo abbiano ancora una possibilità di tornare in auge. La risposta è no, sono semplicemente surclassati. I freni a tamburo sono pesanti, hanno una scarsa dissipazione del calore e sono meno efficaci nel fornire una frenata rapida e continua. Inoltre, non sono compatibili con la tecnologia moderna come l'ABS. Detto questo, i freni a tamburo hanno i loro punti di forza. Un vantaggio è la loro forte forza frenante. Delle due ganasce del freno, una segue la rotazione del tamburo del freno mentre l'altra va contro di essa. Durante la frenata, la ganascia che si muove contro la rotazione crea un effetto autofrenante, stringendo il freno quando si preme più forte. Questo è un vantaggio strutturale. I freni a tamburo sono anche convenienti, poiché il loro design non ha richiesto cambiamenti significativi negli ultimi anni. A parte gli aggiornamenti nei materiali di attrito, sono rimasti relativamente poco costosi da produrre.
