Recuerda que en la informática un error casi siempere puede tener varias resoluciones, por lo tanto aquí enseñamos lo más óptimo y eficiente.
Solución:
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 puedas hacerlo a través de la transmisión a la rueda. Algunos camiones o autobuses realmente frenan al transformar parte de su KE en electricidad, que en algún momento puede reutilizarse o se disipa en calor como corrientes parásitas (o de Foucault).
Sin embargo, la forma más común de disipar la energía cinética es la fricción. En el caso de los automóviles, hay dos posibles fricciones: entre el freno y la rueda (no la goma en sí, con suerte) 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 caso de 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 true, 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 navegar sobre una fina capa de agua, y la fricción disminuye, disipando menos energía. Esto sucede mucho más rápido si bloquea los frenos.
Entonces, con los frenos bloqueados, no hay energía disipada por la fricción en los frenos, y las ruedas pueden patinar demasiado rápido para disipar la energía de manera eficiente. Por lo tanto, se necesita más tiempo para disiparse, lo que significa más tiempo para detenerse.
La situación ideal es disipar energía tanto en los frenos como en la goma. Pero eso no es fácil de lograr, porque la static El coeficiente de fricción 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, sin proporcionar más disipación y aumentando 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 de static al coeficiente de fricción dinámica no es un fenómeno discontinuo. Aparentemente, la “fuerza máxima de frenado 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 de la cual “el agarre de rodadura disminuye rápidamente” a fricción cinética. Así que ahí es donde la disipación de calor es máxima, ya que la disipación máxima requiere un movimiento máximo con la mayor fricción compatible con el movimiento (en realidad, es el producto el que se debe maximizar). 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 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 resbalar 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 una presión interna diferente, por lo tanto, una superficie de contacto diferente 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 fricción actúa con mayor eficacia donde la fuerza es mayor. Por lo tanto, el control de deslizamiento debe diferir en la parte delantera y trasera. También puede equilibrar la izquierda y la derecha si por alguna razón los dos lados se comportan de manera diferente.
En realidad, @tohecz planteó un último problema. ¿Dónde debería disiparse la energía, o según 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 ser una más que la otra, pero de hecho puede ser preferible reponer los neumáticos (no lo sé realmente). Sin embargo, vale la pena considerar el tema y el grado de libertad de elección.
Podemos analizar algo esta relación considerando casos extremos. Si bloquea las ruedas (asumiendo que no hay ABS), no se disipa energía en los frenos. Por lo tanto, todo se disipa en el contacto entre el caucho y la carretera. Por otro lado, si frena lentamente, la superficie de las ruedas permanece en static
contacto con la carretera (no necesita ABS) y toda la energía se disipa en los frenos. Esto va en contra de la creencia de que un frenado violento podría calentar el sistema de frenado: un frenado frecuente y lento lo hará, mientras que un frenado violento sin ABS calienta y desgasta la goma.
Entonces, la cuestión de la relación, con un sistema ABS, ocurre realmente solo cuando frena con la fuerza suficiente para que se produzca el deslizamiento de las ruedas y se pueda usar el ABS 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 un frenado óptimo, con una disipación de energía más rápida, imponga una presión precisa sobre los frenos que resulte en una relación de disipación precisa entre los frenos y el caucho. Sin embargo, dado el comportamiento hipo del sistema ABS, esto corresponde probablemente a una configuración inestable que requiere un control dinámico de la presión para no salir de la zona de disipación óptima. No encontré ninguna información sobre esta relación.
Si la presión sobre el pedal del freno no indica la urgencia de un frenado rápido, el sistema ABS probablemente pueda 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.
Un último comentario es que la elección de la presión óptima para cualquier resultado que se desee también debe depender de la velocidad actual del automóvil. Probablemente sea difícil resbalar por 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 son las fuerzas de fricción y fricción, que se convierten en momentos de torsión debido a la estructura de los dispositivos considerados;
-
hablar de torque requeriría necesariamente que la descripción introdujera consideraciones de tamaño (rueda y radio de frenos), lo que complicaría el análisis sin aportar ninguna información esencial sobre ABS;
-
esto es solo un análisis cualitativo, sin utilizar cifras reales. El desarrollo de fórmulas completas requeriría, por supuesto, plantear problemas de tamaño y considerar los pares de torsión. Pero me pareció más sencillo no hacer eso aquí.
Para disipar cualquier malentendido y cualquier calor que pudiera resultar de ello, debo dejar en claro que me pareció un problema interesante en el que trabajar, pero que no tengo ninguna experiencia en particular, e hice lo que pude con la información que pude. encontrar. Los comentarios y críticas son bienvenidos.
No estoy 100% seguro. Pero la forma en que creo que el ABS disminuye la distancia de frenado es que la static La fricción entre los neumáticos y la carretera será mayor que la fricción cinética. Por lo tanto, bloquear los neumáticos rompiendo con fuerza, sin ABS, significará que habrá una fricción cinética entre los neumáticos y la carretera. Sin embargo, dejar que los neumáticos se rompan lo suficientemente fuerte para alcanzar el máximo static La fricción (lo que básicamente hace el ABS) significará que tendrá una fuerza mayor actuando sobre el automóvil y, por lo tanto, el automóvil se detendrá en una distancia más corta.
Sin ABS, un conductor experimentado usará los frenos con más ligereza tan pronto como sienta que se bloquea. Algún tiempo después, presionaría el freno nuevamente, tal vez no tan fuerte esta vez. La computadora, por otro lado, puede aplicar una ENORME fuerza de frenado, hasta el punto en que la rueda APENAS se bloquea durante una fracción de segundo, luego se suelta y se repite. Si piensa en términos de impulso y momento, la mayor fuerza de rotura puede compensar el menor tiempo total de aplicación. 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.