Técnica – os freios na Fórmula Um

O esporte a motor em geral é algo muito complexo; no automobilismo, e em sua categoria máxima – a Fórmula 1 – não poderia ser diferente. Os engenheiros, projetistas e técnicos estão sempre imaginando e pesquisando novos compostos e tecnologias que otimizem o desempenho dos bólidos, fazendo-os ganhar tempo – e nessa atividade, frações de segundo, centésimos ou até milésimos de segundo fazem a diferença.

Durante as décadas de existência da categoria, um dos setores que mais se desenvolveu, juntamente com a aerodinâmica, foram os sistemas de frenagem. Nos primórdios da Fórmula Um ainda se usavam o freio a tambor (Drum Brake), inventado em 1902 pelo industrial francês Louis Renault. Esses freios ainda são largamente utilizados hoje nas rodas traseiras dos carros de passeio.

O freio a tambor, assim como o a disco são baseados nos princípios da hidráulica. Um dispositivo de cilindro-mestre e pistão é acionado pelo pedal de freio do veículo para gerar pressão do fluído numa extremidade de um circuito hidráulico. A pressão move outro pistão situado na extremidade oposta do sistema e assim aciona o freio.

Então, quando o pé pressiona o pedal do freio está aplicando uma pressão no fluido de freio que será transmitida com a mesma intensidade para todo o sistema de freio até as rodas, fazendo-a cessar o movimento e frear o veículo.

Um freio hidráulico de tambor consiste num tambor (conhecido como panela), fabricado geralmente de ferro fundido, tendo dentro dele duas sapatas semicirculares que contém as lonas fixas a elas.

No passado, as lonas eram fabricadas em amianto, sendo atualmente normalmente construídas a partir de fibras sintéticas e outros agentes como latão, palha de aço, grafite, resina, dentre outros. Existem vários tipos de freio a tambor.

O freio a disco proporcionou grande melhoria à dirigibilidade (capacidade de se controlar o veículo) e ao controle do veículo, mesmo em velocidades maiores.

Um sistema de freios a disco (geralmente fabricados em cerâmica ou ferro fundido) é composto por vários componentes que trabalham em conjunto para realizar a frenagem de um veículo, sendo os principais: o pedal do freio, o cilindro-mestre que fornece o fluído ao circuito hidráulico, as mangueiras flexíveis e os pequenos tubos de metal pelos quais circula o fluído de freio, os cilindros de roda, os pistões, as pastilhas de freio e ainda a alavanca do freio de mão.

Quando o veículo entra em movimento, ele vai gerando energia cinética e o trabalho do sistema de freios é remover esta energia para que ele possa parar. Para isso, ele converte a energia cinética em calor (na maioria dos freios a disco, os discos são ventilados).

Este tipo de freio veicular funciona quando uma pressão hidráulica provoca o atrito das pastilhas de freio com as duas faces do disco metálico (tambor) que gira com a roda. O atrito produz a força necessária para reduzir a velocidade da roda, convertendo a energia cinética do veículo em calor que se dissipa no ar.

O elemento causador dessa força hidráulica é a pressão do pé sobre o pedal do freio, que, acionado, faz com que o cilindro-mestre provoque a pressurização do fluído depositado dentro dele, transmitindo a pressão exercida no pedal até as rodas e acionando os mecanismos para a frenagem.

A formula 1 há muito tempo já utiliza freios à disco, atualmente com 28mm de espessura e 278mm de diâmetro,  já foram feitos de aço, e em certa época em cerâmica, mas hoje são fabricados em fibra de carbono, um material mais leve e principalmente resistente à temperatura; um disco de freio de um fórmula 1 trabalha normalmente a cerca de 650ºC e pode passar dos 1000ºC, chegando até 1200ºC e podendo se manter nessa temperatura por alguns décimos de segundo antes de explodir.

Pelo regulamento da FIA, todos os carros devem estar equipados com um sistema de freios único que tenha dois circuitos hidráulicos separados, operados por um pedal, um deles funcionando nas duas rodas dianteiras e o outro nas duas traseiras. Este sistema deve ser projetado de modo que, se um dos circuitos falhar, ainda assim o pedal poderá operar os freios do outro circuito.

O sistema de freios é constituído de pinça única, com seis pistões e duas pastilhas por roda. Dois dutos conduzem ar para resfriar os discos, pastilhas e pinça. Para reduzir a turbulência aerodinâmica, o sistema de freios é embutido nas rodas. A espessura máxima e o diâmetro dos discos são de 28 mm e 78 mm, respectivamente.

As distâncias de frenagem na Fórmula 1 estão cada vez menores. Em média um carro a 200 km/h precisa de 2,9 segundo e 65 metros para parar. A 100 km/h leva só 1,4  segundos e 17 metros. Na pista de Monza, os carros vêm de uma longa reta e devem reduzir de 350 km/h para cerca de 100 km/h, em apenas quatro segundos.

Isso é possível graças aos freios de fibra de carbono.  O carbono tem propriedades que asseguram a grande desaceleração e sua capacidade de absorver calor lhe dá muita resistência. Mesmo usado mais de 800 vezes e aquecido a 1.000º nas entradas de curvas, o carbono suporta toda uma corrida sem falha. A sua leveza permite que o disco não pese mais do que um 1 kg. A aderência dos pneus e a aerodinâmica contribuem para a eficiência da frenagem e estabilidade nas curvas.

Os freios são muito caros e, segundo a empresa norte-americana HITCO, são necessários quatro meses para a produção de cada disco de freio usado na F1.

As fibras de poliacrilonitrilo (PAN), brancas, são aquecidas para extrair o carbono. No fim do processo, elas se tornam pretas e são transformadas em PAN pré-oxidado. Seu conteúdo de carbono é de apenas 60%.

Uma vez cozidas, as fibras formam uma espécie de feltro, que é cortado nos tamanhos necessários. Camadas desse tecido são superpostas até a espessura necessária.

Após dois ciclos de grafitização de baixa pressão, que duram três dias cada um (o primeiro a 1.000ºC; o segundo a 1.500ºC), o conteúdo de carbono no disco chega a 90%. Ele está pronto para tratamento com materiais compósitos.

Depois há a densificação (repetida duas vezes, num total de seis semanas). Ela torna o disco duro como uma pedra. O dispositivo é aquecido a 1.000º, em forno de baixa pressão, com injeção simultânea de gás. Dessa forma, moléculas de carbono impregnam os poros do disco.

Depois de resfriado, o disco é torneado e polido, estando pronto para uso. Uma camada de antioxidante é aplicada nas áreas que não entrarão em atrito com as pastilhas, para prevenir alterações devido ao calor gerado nas frenagens.

Nos treinos, as equipes colocam um recipiente com gelo seco sobre os freios, para resfriá-los.

Do cockpit, os pilotos podem ajustar distribuição da força dos freios entre a dianteira e a traseira do carro. Geralmente, dependendo das condições da pista, 50% a 51% da força são concentrados na dianteira. A redução dos freios traseiros poupa os pneus traseiros e tem influência na tração.

Os freios são objeto do Art 11, do Rergulamento Técnico da FIA que, além da definição do sistema, como vimos acima, entre outras regras, dispõe que:

• é probido qualquer dispostivo capaz de alterar a configuração ou afetar o desempenho dos freios;
• as pinças dos freios devem ser feitas de alumínio, com elasticidade não superior a 80Gpa;
• cada roda não pode ter mais do que um disco;
• cada roda não pode ter mais do que duas pastilhas;
• é proibida a refrigeração liquida dos freios. A fábrica Brembo mostra como funciona o sistema de freios num carro de  Fórmula 1, desde o sistema de frenagem por cabo até ao MGU-K, que armazena a energia cinética liberada na freada, passando pelo dispositivo de segurança que garante que os freios traseiros funcionem também em caso de avaria dos novos componentes eletrônicos.

Em uma freada forte, a força sobre o piloto pode chegar a 5,4G, isto é, 5,4 vezes a força da gravitade: a 5,4G uma pessoa que pesa 70 kg passa a pesar 378 kg.

Não é bom que os freios fiquem numa temperatura baixa, geralmente a temperatura ideal gira em torno dos 650ºC. Quando “frio” um freio de um carro de fórmula 1 trava as 4 rodas facilmente ao menor toque no pedal. O ABS (sistema presente nos carros de rua) é proibido na Fórmula 1, o sistema funciona distribuindo o fluido de freio entre as rodas e impedindo que alguma delas trave. Com o ABS proibido os pilotos têm que possuir uma sensibilidade muito grande para equilibrar o carro nas curvas; dentro do carro o piloto possui dois ajustes para o equilíbrio de freios:

O primeiro é o balanço de freio, que funciona da seguinte forma: uma alavanca localizada no cockpit permite ao piloto variar a intensidade da força dos freios nas rodas dianteiras e traseiras do carro.

O piloto empurra a alavanca para cima para que os freios da frente trabalhem com mais força do que os freios de trás, ou puxa ela para baixo fazendo com que os freios passem a trabalhar com mais força nas rodas de trás.

Esse ajuste influencia diretamente no equilíbrio do carro, jogando o balanço de freio mais para frente o carro tente a sair de frente; um carro sai de frente quando ele tende a ir reto em uma curva, quando o balanço de freio é jogado para trás, o carro tende a sair de traseira, é quando o carro tende a rodar na curva. O desafio de engenheiros e pilotos é encontrar o equilíbrio entre o balanço mais para frente ou para trás

De 200 km/h a 0 em apenas 2,9 segundos é o tempo que um carro de fórmula 1 demora em média para uma freada.

Só existe um tipo de material capaz de garantir tal nível de desempenho: o carbono, empregado tanto nos discos quanto nas pastilhas de freio. Onipresente na F1, o carbono combina várias características importantes. Suas propriedades básicas garantem impressionante desaceleração, sua leveza faz com que o peso de cada disco não exceda a 1 kg e sua capacidade de absorver e dissipar o calor lhe dá uma resistência sem paralelos.

Ninguém sente saudades dos freios de aço que eram utilizados até a década de 1980. Afinal, se a aceleração na saída das curvas é essencial, para vencer na F1 é igualmente vital ser capaz de frear o mais tarde possível.

Os engenheiros estão constantemente pesquisando meios de melhorar a eficiência da frenagem. O trabalho é facilitado pela sempre crescente capacidade de aderência dos pneus e pelo aprimoramento constante da aerodinâmica, que também contribui para a estabilidade nas curvas. A empresa norte-americana HITCO, que fornece os discos e pastilhas de freio para a equipe Renault F1, faz pesquisas e desenvolvimentos contínuos e, apesar das várias restrições impostas pelo regulamento, as distâncias de frenagem estão cada vez menores.

“O uso de freios de fibra de carbono exige uma adaptação especial por parte do piloto”, diz o ex-piloto Jarno Trulli. “O curioso é que durante as primeiras frações de segundo após o acionamento do pedal é como se nada estivesse para acontecer”. Este lapso é na verdade o tempo necessário para que a fricção entre o disco e a pastilha leve o sistema a sua temperatura de funcionamento. Durante o primeiro meio segundo, a temperatura sobe 100ºC a cada décimo de segundo até que chegue a 1.200ºC! “Uma vez que o sistema entre em pleno funcionamento, a desaceleração é imediata… e brutal.”

Um detalhe que pode ser crítico é o tamanho dos dutos que canalizam o indispensável fluxo de ar fresco para refrigeração do sistema: se os discos funcionarem muito frios, perdem eficiência. “Os pilotos devem acreditar cegamente que os freios funcionarão. Uma grande atenção também é dada ao projeto do circuito hidráulico dos freios, já que o atrito entre o disco e a pastilha quando o pedal é acionado deve ser ao mesmo tempo consistente e proporcional ao esforço aplicado pelo piloto.

https://www.fia.com/regulation/category/110

https://www.f1technical.net/articles/2

https://www.formula1.com/en/championship/inside-f1/understanding-f1-racing/Brakes.html

http://www.brembo.com/en/company/news/f1-2008-vs-f1-2018