Analýza nášho zlyhania bŕzd, ďalšie informácie, ktoré som k tejto téme našiel a upgrade na brzdu z motorky

Donedávna som sa vôbec nezamýšlal nad tým, že brzdy na bicykli (ale aj na aute alebo na motorke) by mohli zlyhať od prehriatia. Určite je to aj preto, že tu nemáme také dlhé a strmé klesania, no predovšetkým bežne používané brzdy sú už tak dimenzované a spoľahlivé, že pri bežnej prevádzke ich nikto kriticky neprehreje.

V lete 2016 sme na našom naloženom tandeme vyšlapali na Grossglockner Hochalpenstrasse a po siedmich hodinách mordovania sa do kopca, sme sa tešili na zjazd. Pustili sme sa dole (asi 12% klesanie) a pred najbližšou zákrutou sme skoro nezastali. Bol som zvyknutý, že dole kopcom to púšťam a pred zákrutami pribrzďujem. Relatívne rýchlo a bez problémov sme doteraz všetky klesania takto zvládali. Verili sme, že hydraulické kotúčové brzdy s 200mm rotormi musia ubrzdiť všetko. Tento krát nás to rozbehlo asi na 40km/h, priebežne som brzdil a po asi 1,5min som chcel zastať na odpočívadle kvôli výhľadu. Stlačil som brzdy, spomalili sme asi na 20km/h, potom sa páčky stlačili až na doraz- bicykel šiel stále cca 20km/h a už viac nespomaľoval. Prekvapenie, stres a panika… dal som nohu dole na asfalt, brzdil podrážkou a hopkal po zemi. Podarilo sa nám zastaviť.

A vtedy sme si uvedomili, že cesta dole bude ešte ťažká. Stále sme pribrzďovali asi na 20km/h a každých 500-1000m zastavili na schladenie bŕzd. No a popri tom sme nadávali, že sme sa nechali ukecať, že dva veľké kotúče budú stačiť. Bonus bolo šlapanie popri bicykli posledných 6km, lebo na zadných brzdných platničkách neostalo skoro nič a v prípade zlyhania by sme to jednou brzdou neubrzdili!

Fakty a analýza nášho brzdiaceho manévru:

• vážili sme cca 270kg a celkové klesnutie nadmorskej výšky na danom úseku bolo 70m
• kebyže sa nezaráta chladenie vzduchom, tak sme vytvorili toľko energie, že brzdné strmene a kotúče by sa teoreticky mali ohriať o 500°C (pozri dole poznámku 1). Brzdné kvapaliny majú bod varu menej ako 300°C.
• Kebyže priebežne brzdíme, tak by spoločný výkon bŕzd bol cca 2000W. Keby sa rátala len druhá časť zjazdu, keď sme už aj brzdili a nie len sa rozbiehali, tak cca 3200W (pre porovnanie – norma 4210-4 testuje brzdy na odolnosť voči prehriatiu pri výkone asi 300W po dobu 15min).  (pozri dole poznámku 2)

Toto všetko sú zjednodušené výpočty, nakoľko som nič komplexnejšie nevedel nájsť ani vymyslieť. Všeobecne je ťažké nájsť konkrétne informácie o výkone a tepelenej odolnosti bŕzd ale na druhú stranu, ani prípady zlyhania nie sú často spomínané.

Pár ďalších zaujímavých informácii a zdrojov týkajúcich sa bŕzd a samotného brzdenia:

• reálny test tepelnej odolnosti bŕzd – testovali Shimano ICE-tech brzdy a vydržali 30min pri záťaži 1050W
• zlyhanie bŕzd pri zjazde po ceste – chlapík na cestnom bicykli s hydraulickými diskovými brzdami klesol za 3min o 150m a cca pri 50km/h mu to prestalo brzdiť, zabrzdil do jarku a našťastie si zlámal len pár rebier + diskusia s výrobcami bŕzd. Všeobecne sa veľa hovorí o hydraulických kotúčových brzdách pre cestné bicykle a toto je ukážka konkrétneho zlyhania (stále nie sú oficálne povolené na pretekoch – ževraj kvôli zraneniam, ktoré by rotory mohli spôsobiť pri páde pretekárov v pelotóne)
• diskusia s výrobcami o brzdnej kvapaline pre cestné kotúčové brzdy – Zmeny v účinku brzdy prebiehajú v 3 krokoch: 1) koeficient trenia so zvyšujúcou sa teplotou najskôr stúpne a potom pri veľmi vysokej teplote začne klesať (toto je „fading“) 2) pri vyššej teplote nastáva „glazing“ – materiál brznej platničky sa roztopí a pokryje kotúč, čím sa výrazne zníži koeficient trenia 3) až posledná fáza je zovretie brzdnej kvapaliny, kedy dôjde k úplnemu poklesu brzdnej sily. Riešením nie je brzdná kvapalina s vyšším bodom varu ale efektívny odvod tepla.
• je lepší DOT alebo minerálny olej? – u DOT brzdovej kvapailny časom klesá bod varu kvôli obsahu vlhkosti. Minerálny olej síce vôbec vlhkosť nepohlcuje, ale keď sa tam dostane čo len trošku vody, tak bod varu klesne na 100°C.
• zlyhanie brzdy kvôli prasknutému valcu – aj high-tech brzda s najlepším odvodom tepla môže zlyhať, keď v nej pukne piestik a začne unikať brzdová kvapalina.
• V knižke Bicycling Science je teoreticky vypočítané, že na bežnom bicykli sa dá dosiahnuť bezpečné spomalenie na rovine 0,5g bez preletenia cez riadítka, pričom 90% brzdnej sily robí predná brzda. V reálnych testoch vyšli spomalenia 0,44g pri brzdení oboma brzdami, 0,36g prednou brzdou a 0,29g pri brzdení zadnou brzdou. Pre porovnanie: auto zabrzdilo s 0,73g (preto sa na bycikli netreba držať tesne za autom). Pri aute (ale teoreticky aj napr. tandeme, kde sa netreba báť o preletenie cez riadítka) je hlavným limitom len koeficient trenia s vozovkou. Bežný bicykel má rozloženie váhy cca 40% predné koleso a 60% zadné (na rovine) ale ťažisko je relatívne vysoko (cca 110cm), čo výrazne ovplyvňuje rozloženie brzdných síl pri prudšom brzdení, ale aj brzdení z kopca (predná brzda je oveľa viac zaťažená ako zadná).
• Krivka pomeru brzdných síl na predné a zadné koleso pri ideálnom brzdení závisí od výšky a polohy ťažiska a rázvoru kolies. Pri malom spomalení sa aplikuje približne rovnaká brzdná sila na obe kolesá a pri väčšom spomalení je sila na predné koleso výrazne väčšia a sila na zadnom kolese klesá (v článku sú ukázané krivky aj pre auto, motorku a rôzne typy bicyklov).
• Podľa normy EN 4210-2 má byť bicykel schopný zastaviť za sucha z rýchlosti 25km/h za 7m.  Podľa amerického United States federal regulations (16 C.F.R. Section 1512.5d) má bicykel zastaviť z 24km/h na 4,57m.
• Na niektorých cestách (napr. Zirlerbergstrasse v Rakúsku) je zakázaný zjazd dole kopcom na bicykli, kvôli príliš strmému klesaniu (16%)
• Zatiaľ čo fading a vyvretie brzdnej kvapaliny ohrozuje diskové brzdy, pri dlhšom intenzívnom brzdení s ráfikovými brzdami môže vplyvom tepla (zvýšenie tlaku v pneumatike a zmeny rozťažnosti v pätke plášťa) nastať prasknutie duše pod tlakom alebo vyzutie plášťa, čo je pri vyššej rýchlosti naozaj kritická situácia, hlavne, ak sa to stane na prednom kolese (zdroj)
• Žiadne brzdy neprežijú 1 míľu 18% zjazdu na tandeme keď treba pribrzďovať na 15mph (zdroj). Zaujímavý tip brzdenia (použitie zadného kotúča ako drag brake): priebežne brzdiť zadnou diskovou brzdou a keď sa prejaví fading, tak použiť prednú ráfikovú, zastať a nechať 5min brzdy ochladnúť.
• Tandem by mal mať 3 brzdy – 2 na zadnom kolese. Jedna je buď záložná ráfiková, alebo sa kedysi používala takzvaná drag brake – bubnová na stále brzdenie dole kopcom.

Po skúsenosti so zlyhaním bŕzd sme sa rozhodli pre upgrade na našom tandeme takto:

• predná brzda z motorky, 200mm kotúč. Predpoklad je, že motorka s jazdcom váži 200kg a má vedieť zastaviť z rýchlosti 100km/h, a teda by mala mať táto brzda dostatok výkonu a množstvo materiálu na dostatočný odvod tepla a nezlyhať ani pri väčšom kopci. Okrem toho by mali brzdné platničky vydržať oveľa viac kilometrov.. Rozdiel hmotnosti oproti bicyklovej brzde je síce 1.5kg, ale myslíme, že to za to stojí.
• zadná brzda – disk 203mm + záložná ráfiková (ktorú bude ovládať predný jazdec – aj pre jeho lepší pocit, že má možnosť ovládať rýchlosť, lebo on je ten, ktorý ju najviac vníma)

Až teraz si plne uvedomujem, že sme mali možno veľké šťastie už počas nášho cyklovýletu v Amerike (2013-2014) pri zjazde k Atitlanu a rýchlostnom rekorde na Atacame. No a že sme zamestnali všetkých „anjelov strážnych“ pri našom zostupe v Alpách. Hoci väčšina cyklistov nikdy nedosiahne limity svojich bŕzd, pri netradičnejšom spôsobe cestovania (touring a teda váha naložených vecí/ tantem/ pripnutý detský vozík) je dobré zamyslieť sa, či bežné brzdy sú dostatočné. Predsa len môže ísť aj o život!

Poznámky:

1: Potenciálna Energia Ep=m*g*h – v našom prípade 270kg*9,81*70m=185409J. Zmena teploty materiálu pri pohltení energie t=Q/(m*c) – v našom prípade 185409/(0,6*600)=515°C (rátal som dohromady 2x300g materiálu a keďže rotor je pravdepodobne nerez a ostatok rôzne materiály s asi nižšou tepelnou kapacitou ako hliník tak som rátal s 600J*kg-1*K-1). V reále to samozrejme prebieha inak – pri rýchlosti 40km/h už značnú časť energie pohltí aj odpor vzduchu a vzduchom sa to zároveň celé ochladí – na druhú stranu sa nezohrieva rovnomerne celý kotúč aj s úchytom a celý strmeň a jeho pracovné časti (brzdná časť kotúča + platničky) sa zohrejú oveľa viac a tiež predná a zadná brzda sú inak zaťažené.

2: Výkon je energia za čas – v našom prípade 185409J/96s=1931W a 143030J/45s=3178W (54m rozdiel nadm. výšky počas 45sekúnd) pričom v skutočnosti sa tento výkon nedá jednoducho rozdeliť na polovicu, lebo predná a zadná brzda nie sú rovnako zaťažené