Freni a disco vs. freni a pattino: quali i più efficienti?

Qualche tempo fa l’apertura dell’UCI ai freni a disco anche per le competizioni su strada e l’investimento in termini di ricerca di sviluppo di nuove gamme di prodotto da parte dei produttori, ha aperto un grande dibattito tra gli appassionati. I freni a disco sono davvero più efficienti di quelli a pattino? Si tratta di vera innovazione o soltanto l’ennesima campagna marketing per vendere più prodotti? In questo articolo andremo a valutare sotto diversi profili i freni a disco e quelli a pattino, per capire davvero quali siano i più efficienti.

Principio di funzionamento

Sia i freni a pattino che quelli a disco sfruttano il principio dell’attrito per attuare la frenata. Un corpo viene mandato in battuta contro il componente in rotazione, sviluppando attrito che ne rallenta la velocità, sviluppando allo stesso tempo calore che va evacuato e usura, che porta all’assotigliamento del corpo frenante. Nei freni a pattino il corpo è il pattino, composto da mescole di gomma nitrilica o butilica a seconda della qualità, che va in battuta contro la pista frenante del cerchio. L’azionamento della frenata avviene attraverso un cavo metallico sottoposto a tensione, per cui il sistema lavora a trazione.

Nei freni a disco idraulici il corpo frenante è la pastiglia, o meglio il suo ferodo, che può essere composto da leghe sinterizzate organiche, semimetalliche o metalliche. Il componente in rotazione è il rotore, che è formato da una lamina interna in acciaio per dare rigidità strutturale e da due lamine in lega di acciaio all’esterno, per favorire l’evacuazione del calore. L’azionamento avviene tramite un cilindro (master cylinder) che spinge l’olio idraulico nella tubazione, facendo fuoriuscire i pistoni su cui sono fissate le pastiglie. Il sistema lavora dunque per compressione.

Distribuzione della frenata

Uno degli aspetti principali di tutti i sistemi frenanti è la distribuzione della frenata, ovvero la gestione e l’applicazione delle forze atte a rallentare la rotazione della ruota. Mettiamo il caso di una ruota che sta girando: questa ruoterà con una certa velocità angolare, detta w, e avanzerà con una determinata velocità, detta A. Per fermare la ruota si dovrà dunque applicare una forza uguale e contraria ad A, che definiremo B. Il nodo cruciale dell’efficienza meccanica di un impianto frenante sta nel valutare come B venga distribuita sulla ruota e per farlo immaginiamo di dividere in quattro settori la ruota, che chiameremo (in senso orario) 1,2,3 e 4.

Nel caso dei freni a pattino, l’applicazione di B avviene su un punto della pista frenante del cerchio, in corrispondenza del settore 1. B si scarica completamente sul settore 1, mandando in trazione i raggi corrispondenti. Nel settore 4 invece si verifica un fenomeno di compressione, che porta al progressivo allentamento dei raggi. I settori 2 e 3 non vengono influenzati dalla frenata.

Nei freni a disco il punto di applicazione di B è sul mozzo. Da qui la forza di frenata si suddivide in varie componenti, tante quante sono i raggi. Questi vengono sottoposti a trazione e le varie componenti di B si muovono sui raggi per poi raggiungere il cerchio. Quindi la forza di frenata si distribuisce su tutta la ruota, ottenendo una frenata più decisa ma soprattutto più facile da gestire e che non influenza la guidabilità del mezzo.

Azionamento della frenata e modularità

Altro aspetto importante è l’azionamento della frenata. Le leve freno sono progettate per fornire quello che in inglese si definisce “mechanical advantage”, ovvero un vantaggio meccanico. Le leve infatti fungono da moltiplicatori di forza: una forza N, applicata dalle nostre mani sulle leve, corrisponde a una forza X volte superiore a N nel punto di applicazione della frenata. In questo modo, anche applicando poca forza, si possono ottenere frenate decise. Ciò che distingue i freni a disco idraulici da quelli a pattino è il vettore, cioè il modo in cui la frenata e il vantaggio meccanico vengono applicati.

Nei freni a pattino abbiamo un cavo metallico da 1,6mm di diametro, formato da numerosi filamenti in acciaio. Questo filo è sottoposto a una tensione, cioè anche quando non lavora è comunque trazionato. Una volta applicata la forza sulla leva, il cavo viene ulteriormente trazionato e fa leva sugli infulcri del freno per mandare in battuta il pattino sul cerchio. Il continuo lavoro stressa il cavo metallico, le cui fibre si tendono e si accorciano più volte, dando vita all’affaticamento del materiale. Così, quando il cavo ha perso elasticità, la frenata diventa del tipo on-off, ovvero poco modulabile.

Nei freni a disco la leva freno è collegata a un cilindro, alloggiato in un corpo pieno di olio idraulico, che viene chiamato pompante. La pressione della leva fa muovere il cilindro, che diminuisce il volume all’interno del pompante e obbliga l’olio a fluire nel tubo, aumentando così la pressione. L’olio sfoga questa pressione nella pinza, dove fuoriescono i pistoni che mandano in battuta le pastiglie. L’olio, essendo un fluido incompriminbile, non subisce fatica, per cui la sua efficienza è più costante nel tempo e la modularità della frenata si mantiene inalterata anche dopo numerose frenate. Il punto debole dell’olio è la sua igroscopicità (più alta nel DOT, bassa nel minerale), cioè la possibilità che assorba umidità che si trasformi in gas che abbatta l’efficienza di frenata. In quel caso si deve procedere allo spurgo.

Il problema del cambio ruote

Uno dei grossi problemi e ostacoli allo sviluppo dei freni a disco nel mondo dei professionisti è la questione del cambio ruote. Nei freni a pattino si apre la levetta di sgancio che allontana i pattini, si apre lo sgancio rapido e si estrae la ruota. Poi si inserisce quella nuova, si blocca l’eccentrico dello sgancio e si rimandano in battuta i pattini. Un meccanico esperto impiega 30 secondi per cambiare una ruota.

Nei freni a disco il problema è diverso, poiché le pastiglie sono tenute lontane dal rotore da una molla ma spesso questo sistema è insufficiente. Pistoni inchiodati, pastiglie consumate o una molla poco efficiente possono diminuire la luce tra i ferodi, rendendo difficile inserire un nuovo disco all’interno. L’unica soluzione è quella di allontanare le pastiglie con un cacciagomme, ma il tempo necessario per farlo aumenta lo stop del corridore. Un altro problema sta nel fatto che, con le ruote a sgancio rapido, è più difficile centrare il disco nelle pastiglie. Spesso infatti quando si cambia una ruota a disco con sgancio rapido si avvertono sfregamenti o rumori.

L’unica soluzione per affrettare e portare il cambio ruote allo stesso livello di quello dei freni a pattino è passare dal sistema a sgancio rapido a quello a perno passante. Il perno passante infatti viene inserito in fori e non in asole, per cui ha un’unica posizione di montaggio. Oltre all’elevata rigidità strutturale, questo sistema renderebbe più snello il cambio ruote, come già avviene da anni nel mondo della mtb professionistica. Fino a quando il perno passante non sarà uno standard anche sulle bici da corsa, il cambio ruote con freni a disco sarà più problematico.

Concludendo

Abbiamo visto che i freni a disco sono più efficienti dei freni a pattino per via di una migliore distribuzione della frenata, una modularità maggiore e un’affidabilità nel tempo che rimane invariata. Non è un caso che molti ciclisti utilizzino i freni a disco con diffidenza, per poi non riuscire più a tornare al sistema a pattino. Resta il nodo del cambio ruote, che per fortuna è un problema dei professionisti (e dei loro meccanici), che presto però verrà risolto come è stato fatto nella mtb. Per cui, nonostante tutte le contrarietà del caso, non si può negare che i freni a disco siano, da un punto di vista meccanico, un sistema di frenata più efficiente di quello a pattino.

Articolo aggiornato a marzo 2023