L’importanza dell’impianto frenante su una vettura di F.1

Ad ogni corpo in moto è associata
un valore di energia cinetica, che dipende dalla massa del corpo e dal quadrato
della sua velocità. Lo scopo dei freni è proprio quello di far diminuire la
velocità della vettura, quindi la sua energia cinetica, dissipando calore.
Prendiamo in esame i dati sulle 8 frenate più intense che Brembo ha raccolto
durante lo scorso GP del Bahrain, una delle piste più dure per l’impianto
frenante.

Le velocità prima e dopo la frenata, e il calore dissipato in ogni
frenata sono raccolti nei grafici sottostanti.

Come si può vedere,
in questa pista la frenata più dura è quella alla curva 1 alla fine del
rettilineo iniziale. La vettura passa da 328 km/h a 61 km/h dissipando nei
freni un calore medio pari a 3913 KJ (franata di 1,33 s).

Nel corso degli anni sono state adottate
diverse soluzioni per sfruttare il calore sviluppato dall’impianto frenante.
Una su tutte, nel 2014 la RedBull introdusse una presa d’aria, costituita da
una paratia in carbonio sull’interno ruota. In questo modo da un lato si
favoriva il raffreddamento dei freni e dall’altro il calore dissipato aiutava
le gomme a mantenere la giusta temperatura di esercizio.

Nel caso dei freni a disco,
soprattutto se la potenza frenante è molto elevata, come accade in F1, si ha
una disomogeneità di temperatura tra i punti del disco; infatti le pinze
agiscono ad ogni istante solo su una piccola parte di superficie. Perciò
ciascun punto del disco sarà sottoposto ad un periodo di riscaldamento, quando
fa parte della porzione di disco su cui agisce la pinza, seguito da un periodo
di raffreddamento.

In generale le pinze agiscono su
un arco di disco compreso tra 40° e 66°, il tempo di riscaldamento varia tra
1/9 e 1/6 del tempo necessario per compiere un giro completo della ruota, di
conseguenza il tempo di ventilazione è tra 8/9 e 5/6.

È evidente che l’efficienza della
frenata aumenta molto con l’uso di materiali capaci di sopportare bene le alte
temperature. Come è noto, in F1 vengono usati dischi in carboceramica,
differentemente dall’acciaio impiegato nelle vetture stradali. Cercheremo ora
di capire quali sono i vantaggi nell’uso di questo materiale.

Non potendo avere a disposizione
dati ufficiali sui materiali impiegati attualmente, faremo un breve confronto
fra dischi costruiti in acciaio e dischi carboceramici medi.

Consideriamo dei dischi pieni ed
omogenei, ciò significa principalmente che, per semplicità, ignoriamo la
presenza dei fori di ventilazione, con un diametro di 278 mm ed uno spessore di
28 mm.

Partiamo con un confronto sulla
massa che avrebbe un disco costruito nei due materiali.
Con le dimensioni sopra
dette si ottiene un volume di 1698702 mm3.

La densità media dell’acciaio è
0.00000785 kg/ mm3 mentre per il materiale carboceramico vale 0.0000018
kg/ mm3. A questo punto si può calcolare la massa di un disco
moltiplicando la densità per il volume. Quindi nel nostro caso, un disco in
acciaio avrebbe una massa di 13.33 kg e uno in carboceramica di 3.06 kg, risultando
dunque molto più leggero.

Come abbiamo potuto capire un
disco deve lavorare ad altissime temperature.

Brembo dichiara che i suoi dischi
da F1 raggiungono una temperatura massima di 1200°C!

Ma come reagiscono i due
materiali alle temperature di esercizio?

Consideriamo un altro parametro, il
calore specifico, che in pratica indica la resistenza di un materiale ad
aumentare la sua temperatura quando viene fornito calore.

Il calore specifico dell’acciaio
è di 400 J/kg*K, mentre quello della carboceramica è di 710 J/kg*K. Ciò
significa che se forniamo la stessa quantità di calore alla stessa massa di
acciaio e di carboceramica, il materiale carboceramico si riscalda di meno. Ma,
nel nostro caso i due dischi hanno masse diverse, per cui il prodotto massa per
calore specifico, da cui dipende l’aumento di temperatura, è minore per la
carboceramica, in quanto più leggera. Di conseguenza, l’aumento di temperatura,
che è il rapporto tra il calore e il prodotto massa per calore specifico,
risulta più elevato per la carboceramica. Questo si traduce nella pratica con
temperature di esercizio più alte rispetto ai dischi in acciaio.

Perché allora si preferisce usare il materiale
carboceramico rispetto all’acciaio?

E’ preferibile perché la
carboceramica sopporta molto meglio il calore, portando quindi ad una maggiore
efficienza termo-meccanica, che si traduce in un aumento delle prestazioni dei
dischi. A dimostrazione di ciò, il coefficiente di dilatazione termica
dell’acciaio è 16*10-6/K mentre quello della carboceramica è 0.8 *10-6/K
quindi l’acciaio si dilata molto di più della carboceramica, nonostante lavori
a temperature più basse.

Riassumendo, la carboceramica,
non solo riduce notevolmente le masse non sospese, quindi l’inerzia,
migliorando così la dinamica della vettura, ma anche permette prestazioni
frenanti più elevate e una maggior efficienza termica e meccanica. Ovviamente
le prestazioni della frenata non sono garantite solo dai dischi, ma è
necessario valutare altri parametri, quali ad esempio il coefficiente di
attrito tra pneumatico e asfalto, il materiale delle pastiglie e il carico del
pilota sul pedale.