Tutto ciò che c’è da sapere sui freni di una Formula 1

Le auto di Formula 1 sono dotate di freni a disco con un disco rotante (che gira simultaneamente alle ruote) schiacciato dalle pastiglie per mezzo di una pinza idraulica a pistone. Durante questo processo, quindi, la velocità dell’auto si trasforma in una grande quantità di calore e luce.

Nello stesso modo in cui troppa potenza fa slittare le gomme posteriori, una forza frenante eccessiva può causare il bloccaggio delle ruote a causa del superamento del massimo grip disponibile. Poiché non sono consentiti sistemi che impediscano il bloccaggio delle ruote durante la frenata (ABS), frenare rimane una delle prove di abilità più importanti per i piloti (lo si può vedere in particolare su piste con molte zone di frenata dure e lunghe, come Montreal e Monza).

Regolamento e caratteristiche

Le normative tecniche della FIA consentono a ciascuna vettura di avere un sistema frenante idraulico doppio e di circolare con due serbatoi separati per il liquido, uno per le ruote anteriori e uno per quelle posteriori. Ciò garantisce che la frenata sia possibile anche se uno dei due sistemi dovesse fallire.

La distribuzione della forza frenante tra le ruote anteriori e posteriori può essere controllata direttamente dal cockpit, cosa, questa, che influisce direttamente sul comportamento dell’auto durante la frenata.

I piloti, poi, regolano anche l’equilibrio dei freni in base alla quantità di carburante presente nell’auto: questo influenza non solo l’effettivo peso della vettura ma anche la distribuzione dello stesso e, conseguentemente, il baricentro dell’auto. Normalmente, durante la frenata, il 50-60% della forza frenante agisce sulle ruote anteriori dato che l’inerzia sposta il peso in avanti. Modificando l’equilibrio dei freni, il pilota influisce sul comportamento dell’auto durante la frenata, sull’usura dei freni e sui pneumatici.

Il peso dei freni

Regolare l’equilibrio dei freni può essere molto utile anche durante la disputa delle qualifiche perché il pilota può adattare l’equilibrio della frenata e dell’ingresso in curva in ogni punto del tracciato.

La Formula 1, per il suo sistema frenante, utilizza materiali che hanno proprietà di peso e termiche superiori ai materiali utilizzati nella maggior parte delle auto stradali. Tutte le vetture della categoria impiegano dischi e pastiglie dei freni in carbonio. Questi offrono una capacità di raffreddamento superiore e possiedono un peso minore dei dischi e delle pastiglie in acciaio utilizzati nelle auto stradali e in altri categorie di motorsport.

Un disco tipico della Formula 1 pesa circa un chilo (a titolo di confronto, il disco in acciaio utilizzato nella serie americana CART ne pesa tre) e le speciali pastiglie dei freni possono resistere a temperature superiori ai 1000 °C.

Queste componenti, poi, sono estremamente efficaci se messe in combinazione con mescole di pneumatici moderne e avanzate, in quanto permettono di ottenere distanze di frenata ridotte in modo drastico. Una monoposto di F1, infatti, ha bisogno di una distanza molto più breve per fermarsi se paragonata a un’auto stradale.

Tempistiche di frenata

I freni in Formula 1 sono così efficienti che le regole rallentano deliberatamente il loro sviluppo al fine di evitare distanze di frenata ancora più ristrette. Circostanza, questa, che renderebbe ancora più complicato il sorpasso e le situazioni di bagarre, danneggiando lo spettacolo.

Una Formula 1 impiega meno di quattro secondi per fermarsi da 300 km/h e meno di tre secondi da 200 km/h. Questi numeri dipendono da vari aspetti, ossia le impostazioni della sospensione, la mescola degli pneumatici, l’asfalto e la sua temperatura, la distribuzione del peso, il baricentro, il carico di carburante ed i livelli di deportanza.

Dal KERS all’ERS

Dal 2009 al 2013 le auto di Formula 1 (o almeno alcune di esse) erano inoltre dotate di KERS (Sistema di Recupero dell’Energia Cinetica), un sistema volto a catturare l’energia cinetica e a trasformarla in energia elettrica immagazzinata in batterie o volani.

Nel 2014 è stato introdotto l’ERS (Sistema di Recupero dell’Energia), un nuovo sistema più complesso avente due unità motore-generatore che combinano il recupero di energia dai freni posteriori (MGU-K) e dai gas di scarico (MGU-H).

Costruzione e materiali

Come per ogni sistema frenante utilizzato nelle auto stradali, anche in F1 la parte centrale dell’impianto è il disco freno che gira simultaneamente con la ruota. Quando il pilota preme il pedale per rallentare, il liquido dei freni entra nei cilindri, i pistoncini e le pastiglie in carbonio schiacciano il disco rotante che, come un effetto domino, rallenta il disco e l’auto stessa.

L’energia cinetica (metà del prodotto della massa e del quadrato della velocità) si trasforma in calore e luce. Il liquido dei freni è situato nei due cilindri principali posizionati dietro al punto in cui il monoscocca si connette al muso dell’auto. Questi si trovano tra le parti della sospensione al fine di risparmiare spazio prezioso in quella zona della macchina.

I cilindri principali contengono il liquido per i freni anteriori e posteriori, i cui sistemi sono separati per rispettare i regolamenti tecnici. Se uno dei sistemi dovesse fallire, perciò, il pilota potrebbe fermare l’auto utilizzando l’altro sistema.

L’importanza dei freni

Sebbene regole molto rigide mantengano il design del sistema frenante relativamente semplice, i freni rimangono comunque una delle parti più costose delle auto di Formula 1. Pastiglie e dischi sono realizzati con materiali in carbonio di alta qualità. Sono, inoltre, significativamente diversi da quelli utilizzati per altre parti delle vetture. Si caratterizzano per un elevato coefficiente di attrito essenziale, volto ad ottenere la massima forza frenante possibile.

Nel 2010 è stato vietato il rifornimento delle monoposto durante le gare e, quindi, le auto sono state costrette a partire con molto più carburante. Questa situazione, che sottopone a maggior stress e lavoro tutto il sistema di frenata, è diventata ancora più impattante nel 2014. Infatti, il peso minimo delle monoposto è stato aumentato da 642 a 691 kg. Il sistema di recupero dell’energia, introdotto nello stesso anno, implica il rallentamento dell’auto in modalità di recupero, consentendo di utilizzare dischi freno posteriori più sottili e di diametro ridotto. Lo spessore massimo consentito del disco è di 28 mm, ma dal 2014 le squadre hanno utilizzato spesso dischi più sottili di 25 mm nel retrotreno.

Il raffreddamento

I freni trasformano l’energia cinetica in calore grazie all’alto coefficiente di attrito tra dischi e pastiglie. La gestione del calore svolge dunque un ruolo cruciale nell’uso efficace dei freni durante la gara. In condizioni di freddo e su lunghi rettilinei, la temperatura dei freni può diminuire drasticamente, portando a una differenza di temperatura elevata tra l’inizio e la fine della zona di frenata.

Essendo al di fuori della loro finestra operativa, i freni hanno una capacità di azione ridotta e una maggiore usura, cosa che i piloti vorrebbero evitare.

I freni vengono raffreddati dirigendo l’aria dal condotto attraverso le aperture del disco e sulla sua superficie. Quindi una presa d’aria più piccola raffredda le pinze dei freni, mentre una più grande dirige l’aria espansa dall’esterno verso il centro del disco attraverso i fori applicati sullo stesso, e facendola fuoriuscire attraverso il cerchio.

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