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domingo, 15 de noviembre de 2009

Los frenos ABS

Los frenos ABS son un complemento del sistema de frenado normal del carro, si no tenés claro como es que funcionan los frenos de un carro podés revisar la pubicación del 1° de noviembre, te vendrá bien para aprovechar mejor esta.
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Quien ha frenado en raya sabe que es fácil perder el control del carro y que cuando el carro “patina” la dirección no responde, es una situación muy angustiante… ¿Qué está pasando?


Cuando una llanta rueda solo un punto de esta se encuentra en contacto con la carretera, la fuerza que actúa entre la carretera y la llanta se llama fuerza de fricción estática, si por el contrario se bloquea la llanta al frenar violentamente entonces tenemos un solo punto de la llanta deslizándose sobre la carretera, se dice que la llanta pierde tracción, en este caso la fuerza que actúa entre la llanta y la carretera es la fuerza de fricción cinética. El valor de fricción cinética es menor que el de la fricción estática y por eso si una o más llantas del carro se bloquean al frenar se pierde el control. Es como resbalarse en piso enjabonado la fuerza (de fricción cinética) entre el suelo y nuestro zapato es tan pequeña que no hay manera de decidir hacia donde vamos, el impulso mismo nos lleva. A esto se debe sumar 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 del carro.

Los frenos ABS (Anti-lock braking system) evitan que al frenar las llantas lleguen al punto en que se detienen totalmente (y se bloquean), esto nos dará don ventajas: la distancia de frenado es menor debido a la mayor tracción y es posible seguir dirigiendo el carro mientras se frena.

Su funcionamiento de manera básica es el siguiente:

Cada llanta cuenta con un sensor que mide la velocidad de la llanta y la compara con la del carro, si la llanta va muy lento y el carro se sigue moviendo detecta que la llanta está a punto de bloquearse.

Cuando los sensores detectan que la llanta esta a punto de bloquearse accionan unas válvulas que están conectadas a las mangueras de frenos, estas válvulas disminuyen la presión en el freno de cada una de las ruedas según sea necesario, una bomba se encarga de recuperar la presión si se continua 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) y 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 patinar, 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, ya ahora sabemos por que. Ahora, quien tiene ABS puede frenar sin preocuparse de estar soltando el pedal ya que este sistema realiza este proceso de forma automática haciendo el frenado más seguro.

En la figura (a) tenemos un carro con ABS: 1. frena en raya (violentamente), la llanta empieza a girar más lento pero el carro sigue en movimiento, 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 que se tenía en frente

El la figura (b) un carro sin ABS: 1. se frena en raya, las llantas se bloquean y el carro patina, 2. se intenta maniobrar el carro pero patinando 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.

Visto así, pues sí vale la pena tener ABS, pero está claro que el precio de un carro que tiene este sistema es bastante mayor que uno que no lo tiene, lo más importante para evitar accidentes es conocer y entender el funcionamiento del carro que manejamos y sus limitaciones para saber como responde en situaciones extremas, como lo es el frenado en raya, y no sobrepasar sus capacidades.

(Las figuras fueron tomadas de:

http://www.drivingfast.net/technology/abs.htm, http://imperialclub.org/~imperialclub/Yr/1973/Data/49.htm )

martes, 10 de noviembre de 2009

De gatos, galaxias y átomos


Según la sabiduría popular, los gatos siempre caen de pie. La experiencia nos enseña que esto es cierto la mayoría de las veces, lo suficiente como aceptar esta afirmación como cierta.Veamos que tiene la física que decir al respecto.
Una vez que el gato está cayendo, despreciando la resistencia al aire, y considerando a la Tierra como parte del sistema, no hay fuerzas externas actuando sobre el sistema. Esto implica que deber existir conservación del momentum angular. Supongamos que nuestro gato car inicialmente de espaldas al suelo. Para volverse y poder caer de pie debe efectuar un giro de 180 grados sobre su propio eje (entiendase como eje la línea que pasa por su centro de masa y es pararalela a su espina dorsal). Como su velocidad angular inicial es cero, el gato estaría violando la ley de conservación del momentum al rotar simultaneamente todas las partes de su cuerpo. 

En la figura de la izquierda se muestra una secuencia de imágenes de un gato volviéndose hacia el suelo mientras cae. Como se aprecia en las imágenes la estregia gatuna consiste justamente en aprovechar la ley de conservación de momentum y la relación entre inercia de rotación y velocidad angular. En este punto es útil recordar que el moemtnum angluar de un cuerpo sólido es igual al producto de su inercia de rotación y su velocidad angular.  Al caer, el gato estira sus extremidades posteriores y recoge las delanteras. De esta manera aumenta la inercia de rotación de la parte posterior de su cuerpo mientras que disminuye la inercia de la parte superior. Esto le permite rotar rápidamente sus patas delanteras un poco más de 180 grados hacia el suelo. Para conservar el momentum total de su cuerpo, la parte posterior gira lentamente en sentido contrario. Una vez concluida esta maniobra, el gato realiza el proceso contrario: estira sus patas delanteras y recoge las posteriores, de manera que aumenta la inercia de rotación del segmento delantero de  su cuerpo y disminuye la del posterior. Esto le permite ahora girar rápidamente sus patas posteriores hacia el suelo. Mientras, la parte delantera de su cuerpo gira en sentido contrario para conservar la cantidad de movimiento angular inicial. Sin embargo la velocidad es lo suficientemente baja como para que sus patas se encuentren justamente en posición de aterrizaje.
Este es apenas un ejemplo de que como el momentum angular, en este caso su conservación, rige muchos fenómenos en la naturaleza: desde formación estelar , de galaxias, y  planetaria, hasta las leyes de la mecánica cuántica.  Por ejemplo en el caso de galaxias, la conservación del momentum angular determina su forma y su velocidad de rotación en función de los cambios en el tamaño de la misma.  En el caso de la mecánica cuántica, las partículas tienen un momentum angular intrínseco llamado espín que determina su estado energético así como la interacción con otras partículas.

domingo, 1 de noviembre de 2009

Los frenos de tu carro

Cuando alguien habla más específicamente de los frenos de un carro se dice que son frenos hidráulicos, que son los más comunes, antes también se usaban los frenos de aire pero esos se han dejado de utilizar ya que son mucho más duros que los hidráulicos.
De manera simplificada ambos sistemas de frenos se conectan entre el pedal del freno y la llanta por medio de mangueras (mangueras de frenos), en un caso llenas de aire y en el otro de algún líquido. En las mangueras llenas de líquido o fluido este debe cumplir con la característica de no ser compresible, es decir, por más que se haga fuerza sobre él no lo podemos comprimir ni un poco, es precisamente esta característica que lo hace deseable para el frenado, le aplicamos una fuerza por medio del pedal generando una presión sobre el fluido que se lleva a través de la manguera hasta las llantas. En el caso de los frenos de aire, que es un fluido compresible, hay que aplicar mucha más presión para lograr el mismo frenado que con los hidráulicos, por eso da la sensación de ser más duro.
El funcionamiento de los frenos hidráulicos se basa en el Principio de Pascal:
“la presión ejercida en la superficie de un fluido se propaga en la misma medida por todo el fluido y hacia las paredes del recipiente que lo contiene”
Los frenos hidráulicos usan el principio de pascal no solo para transmitir presión del pedal del freno a las llantas, también utiliza este principio para generar un dispositivo multiplicador de fuerza. ¿Qué?... A ver, explico:
¿Has pensado como hacés para frenar un carro con la fuerza de tus pies? Si intentamos hacerlo, al mejor estilo de los Picapiedra, nuestros pies terminarían destruidos sin lograr frenar de manera apreciable el carro, el principio de pascal permite hacer una fuerza pequeña sobre el pedal del freno y la presión que se genera dentro de las mangueras aplica una fuerza mucho mayor sobre la llanta. A esto se le llama prensa hidráulica y se utiliza en muchas aplicaciones además de los frenos, se hacen elevadores, y la silla del peluquero y el dentista funcionan así también.

En los carros existen dos tipos de frenos, de tambor y de disco. Para accionar los de tambor dos piezas llamadas zapatas hacen fuerza contra la parte interna del aro en que se encuentra la llanta, el en caso de los frenos de disco, la llanta tiene incorporado un disco de metal que gira con ella para frenar dos pequeñas palancas (las pastillas) hacen presión sobre los bordes del disco. En ambos casos el frenado se logra por fricción pero en los frenos de disco se logra rozar una menor superficie que en los de tambor por lo que la fricción genera un menor calentamiento y los hace más eficientes. Algunos discos que deben tener un muy alto rendimiento, como en los carros de carreras, son ventilados, no son un disco sólido sino que tiene huecos en su superficie, estos son más difíciles de construir, y como se imaginarán más caros.



La mayoría carros tiene frenos de disco en las llantas delanteras que requieren de un mejor frenado y frenos de tambor en las llantas traseras, los carros que tienen discos en las cuatro llantas tienen precio más elevado.

¿Y el ABS?

En el último tiempo es normal que como una extra te vendan frenos ABS, ¿que se gana con ese sistema? ¿Es más seguro tenerlos y pagar la diferencia en un carro que sí los tenga?

Lo analizaremos en una siguiente publicación.