frenatura
Indice
Lessico
sf. [da frenare]. Atto ed effetto del frenare; azione tendente a ridurre la velocità di un corpo in moto (in particolare un veicolo), o a contenerne l'accelerazione, esercitata per mezzo di freni.
Fisica
La frenatura è un fenomeno energetico che avviene mediante la trasformazione dell'energia cinetica del veicolo in lavoro di attrito; questo a sua volta produce calore e quindi aumenta la temperatura delle superfici di attrito presenti nel sistema frenante del veicolo stesso con la riduzione della capacità di frenare. Poiché l'energia cinetica è proporzionale al quadrato della velocità del mobile, anche la frenatura in ogni suo parametro (tempo, spazio, efficienza, ecc.) è legata al quadrato della velocità. Si è anche pensato di convertire l'energia cinetica di un veicolo in energia di deformazione permanente di certi organi appositamente studiati, come nei progetti di carrelli a perdere per atterraggio di veicoli spaziali su altri pianeti (per la frenatura degli aeromobili e dei veicoli spaziali, vedi frenaggio).
Tecnica: veicoli stradali
La frenatura si ottiene mediante l'impianto frenante il cui elemento principale è rappresentato dal freno. Poiché la frenatura investe problemi di stabilità e tenuta del veicolo, e soprattutto di sicurezza dell'utente, sono oggetto di continui studi sia il perfezionamento dell'impianto frenante mediante anche il raddoppio del circuito idraulico dei freni, l'adozione di servofreni e il controllo elettronico dell'impianto, sia l'adozione di sistemi ausiliari della frenatura che possono essere meccanici, idraulici o elettronici e la cui funzione è quella di assicurare l'efficienza del sistema frenante in ogni condizione di marcia; sugli autoveicoli, pertanto, sono sempre più usati limitatori e ripartitori di frenata, surpressori e sistemi antibloccaggio delle ruote. Nei veicoli industriali con motore Diesel a iniezione diretta è largamente usato il freno motore, dispositivo che consiste in una farfalla posta sul collettore di scarico del motore, la quale si chiude automaticamente quando viene azionato il pedale del freno mentre contemporaneamente viene interrotta l'erogazione del carburante: il motore, pertanto, agisce da compressore opponendosi con una notevole coppia al moto; il dispositivo è particolarmente indicato per limitare la velocità in discesa e ha funzioni ausiliarie rispetto al freno. Sui veicoli industriali di grande portata e peso viene spesso adottato un sistema frenante a correnti parassite montato sulla trasmissione (retarder): eccitato dalla corrente elettrica dell'alternatore, una volta inserito, fornisce una rilevante coppia, agente direttamente sulla trasmissione, che si oppone in modo soddisfacente al moto del veicolo. Anche nelle motociclette si adottano sistemi di frenatura integrale per ottenere una frenata equilibrata che consenta un miglior controllo del veicolo: il sistema più usato è quello che permette di azionare con il pedale il freno posteriore e uno dei dischi di quello anteriore, mentre la leva al manubrio agisce solo sull'altro disco anteriore; una valvola posta nel circuito modifica la pressione del fluido diretto ai freni posteriori, adeguandola continuamente alle condizioni di funzionamento dei freni, variando così il carico dell'asse in modo tale che le ruote non si blocchino; un dispositivo ausiliario interagisce con le sospensioni limitando “l'affondata” del veicolo durante la frenata e permettendo così di mantenere un assetto ottimale; anche sulle motociclette vengono utilizzati sistemi antibloccaggio delle ruote analoghi a quelli adottati per le autovetture. È fondamentale, da parte dell'utente, conoscere due parametri essenziali della frenatura, rappresentati dallo spazio di frenatura e dallo spazio di arresto: si definisce spazio di frenatura la lunghezza del tragitto percorso dal veicolo dal momento iniziale dell'azione di frenatura al suo arresto. Esso, a parità di ogni altro fattore influente e nell'ipotesi di un veicolo con freni in perfetta efficienza, dipende dalla velocità iniziale al momento della frenata, dal peso del veicolo, dalle condizioni del pneumatico e del manto stradale. I valori base dello spazio di frenatura vengono calcolati sperimentalmente per ciascun tipo di vettura su asfalto granuloso e con pneumatici nuovi, ma vanno moltiplicati fino a un massimo di 2,43 volte, nel caso di frenatura su lastricato liscio e umido (con pneumatici in buone condizioni), di 1,44 volte nel caso di pneumatici lisci (su asfalto asciutto), per entrambi i valori nelle peggiori condizioni. Lo spazio di arresto è invece la distanza effettivamente percorsa dal veicolo dal momento in cui si manifesta un certo pericolo a quello in cui esso si arresta. Tale spazio si calcola aggiungendo allo spazio di frenatura il tragitto percorso dal veicolo nel tempo di reazione del guidatore (da 1/2 a 3 s) e nel tempo morto (ca. 1/5 di s) che trascorre prima che l'impianto frenante entri in azione.
Tecnica: veicoli ferroviari
In campo ferroviario, il problema della frenatura assume importanza particolare a causa della massa dei convogli, delle velocità raggiungibili, dei limiti di aderenza, delle lunghezze degli spazi di frenatura, della necessità di trasmettere l'impulso frenante a tutti i veicoli del treno; nasce quindi la necessità di fissare dei limiti alla velocità per garantire la sicurezza di esercizio. A tale fine, a ogni rotabile viene assegnato un peso frenato in tonnellate, funzione delle caratteristiche del freno e indice delle possibilità di frenatura; a ogni sezione di linea è quindi assegnato un grado di frenatura che indica l'entità delle pendenze massime e permette di fissare per le varie categorie di treni la velocità massima consentita per ogni sezione di linea. La frenatura può essere meccanica ed elettrica: la prima, basata su freni a ceppi o a pattini elettromagnetici, serve a fermare il convoglio; la seconda viene utilizzata per il rallentamento o in appoggio alla frenatura meccanica sui locomotori e sulle elettromotrici, sfruttando il fatto che nella fase di rallentamento i motori si comportano come generatori azionati dall'energia cinetica posseduta dal convoglio. L'energia ottenuta può essere dissipata in reostati (frenatura elettrica reostatica) o, tramite opportuni collegamenti del motore, può essere ceduta alla linea (frenatura elettrica a recupero). Poiché la frenatura elettrica deve sviluppare un'azione frenante sensibilmente costante dalle alte alle basse velocità, occorre che il sistema sia munito di un dispositivo automatico che intervenga sul valore di resistenza del reostato di frenatura oppure sulla corrente di eccitazione dei motori. La frenatura a recupero viene spesso adottata nelle metropolitane in quanto limita lo sviluppo del calore nelle gallerie, nelle quali la temperatura tende, pur lentamente, ad aumentare. La frenatura elettrica viene utilmente impiegata nelle linee con lunghi tratti in discesa, poiché consente al convoglio di scendere a velocità costante e regolata senza interessare il sistema meccanico di frenatura, con forte risparmio dei costi di manutenzione. Nelle elettromotrici veloci viene utilizzata nella prima fase di decelerazione anche la frenatura a correnti di Foucault indotte nelle rotaie per mezzo di un potente elettromagnete, eccitato dalla corrente della frenatura reostatica, disposto fra i due assi di ciascun carrello, parallelamente al piano di rotolamento delle rotaie e a una distanza di 10÷15 cm da queste. La frenatura a correnti di Foucault è molto efficace ad altissime velocità. La frenatura elettrica, dissipativa e a recupero, trova applicazione anche nel campo degli azionamenti industriali di potenza, con convertitori statici e macchine in c.a. o in c.c. La frenatura elettrica comporta un'inversione del flusso di energia dalla macchina verso la rete di alimentazione (azionamento rigenerativo). Tale inversione in alcuni azionamenti viene ottenuta controllando opportunamente lo stesso convertitore che alimenta la macchina; in altri è necessario un secondo convertitore dedicato esclusivamente alla frenatura. L'energia recuperata durante la frenatura viene resa disponibile per l'utilizzazione locale o immessa nella rete di alimentazione.