Freno (ferrocarril) para niños

Un freno ferroviario es un sistema muy importante que ayuda a los trenes a reducir su velocidad, a controlarla cuando van cuesta abajo o a mantenerse quietos cuando están parados. Aunque funcionan de forma parecida a los frenos de los coches, los frenos de los trenes son más complejos. Esto se debe a que deben controlar muchos vagones conectados y funcionar incluso si el tren se queda sin locomotora.

Este artículo te explicará cómo funcionan los frenos que aprietan las ruedas (llamados frenos de apriete), que se han usado en los trenes desde hace mucho tiempo. También veremos otros tipos de frenos que se usan hoy en día, como los mecánicos, los que usan líquidos (hidrodinámicos), los que usan electricidad (electrodinámicos) y los de corrientes de Foucault.

Cómo evolucionaron los frenos continuos

Los primeros frenos de tren

Un freno de cinta en una locomotora de vapor de 1873.

Al principio de los ferrocarriles, los frenos eran muy sencillos. Solo la locomotora y algunos vagones tenían frenos. Los guardafrenos viajaban en esos vagones y los activaban a mano. A veces, la locomotora hacía un silbido especial para avisarles de que debían frenar. Todos estos frenos se activaban girando un tornillo que apretaba unas zapatas contra las ruedas. También servían para dejar los vagones quietos cuando estaban parados.

Al principio, los guardafrenos estaban en refugios rudimentarios fuera de los vagones. Luego, pasaron a estar dentro de los vagones de pasajeros, con una rueda para accionar el freno. Sin embargo, este sistema no era muy potente ni fiable, ya que dependía de que los guardafrenos oyeran el silbido y actuaran rápido.

Más tarde, se inventó el freno de vapor para las locomotoras. Este usaba la presión del vapor de la caldera para apretar las zapatas de freno de la locomotora. A medida que los trenes iban más rápido, se hizo necesario un sistema de frenado más potente. Este sistema debía ser controlado al instante por el maquinista y funcionar en todo el tren, por eso se le llamó freno "continuo".

En el Reino Unido, un accidente de tren en 1876 mostró lo importante que eran los frenos continuos. Los trenes sin estos frenos tardaban mucho en detenerse. Unas pruebas demostraron que un tren a 70-78 km/h necesitaba entre 730 y 1100 metros para parar. Esto sorprendió a los ingenieros, que vieron la necesidad de mejorar el frenado.

Las pruebas después del accidente de Abbots Ripton mostraron lo siguiente para un tren expreso en una pendiente:

No era fácil encontrar una solución perfecta, porque los frenos debían funcionar de manera uniforme en todo el tren. Además, los vagones se añadían o quitaban con frecuencia.

Válvula de control de la empresa Westinghouse Air Brake Company.

Se probaron varios sistemas:

• Sistema de resorte: Usaba una varilla que pasaba por el tren para apretar los frenos de cada vagón con la fuerza de unos resortes. Se controlaba desde un extremo del tren. Si el tren se separaba, los frenos se activaban automáticamente.
• Freno de cadena: Una cadena continua conectaba la parte inferior del tren. Al tensarse, activaba un embrague que usaba el giro de las ruedas para frenar. Tenía limitaciones en la longitud del tren y no era muy preciso. Se usó hasta finales del siglo XIX.
  • El freno Heberlein era una versión alemana que usaba un cable aéreo en lugar de una cadena.
• Frenos hidráulicos: Usaban presión de agua para frenar, como los coches. Eran populares en algunos ferrocarriles del Reino Unido, pero el agua podía congelarse.
• Sistema de vacío simple: Un aparato en la locomotora creaba un vacío en una tubería que recorría el tren. La presión del aire exterior hacía funcionar los frenos. Era barato y eficaz, pero si la tubería se rompía o el tren se separaba, los frenos dejaban de funcionar.
• Freno de vacío automático: Similar al anterior, pero cada vagón tenía un depósito de vacío. Al crear vacío en la tubería, los frenos se soltaban. Si el maquinista frenaba o la tubería se rompía, el aire entraba y activaba los frenos. Era más seguro, pero necesitaba depósitos grandes y complejos.
• Sistema de freno de aire Westinghouse: Cada vagón tenía depósitos de aire. La locomotora llenaba la tubería del tren con aire a presión, lo que soltaba los frenos y cargaba los depósitos. Si el maquinista frenaba, liberaba aire de la tubería. Las válvulas en cada vagón detectaban la bajada de presión y usaban el aire de los depósitos para activar los frenos. Era más potente y usaba cilindros más pequeños que el sistema de vacío. Sin embargo, necesitaba un compresor de aire, que al principio era grande y complicado.

Las pruebas de Newark mostraron que el freno de aire Westinghouse era el mejor, pero por otras razones, muchos ferrocarriles del Reino Unido adoptaron el sistema de vacío.

Frenos en Gran Bretaña

Hasta 1930, solo los trenes de pasajeros en Gran Bretaña tenían frenos continuos. Los trenes de carga y minerales, que iban más lentos, dependían de los frenos de la locomotora y de un furgón de frenos pesado al final, donde un guardafrenos activaba los frenos.

Los vagones de carga tenían frenos de mano que se activaban con una palanca. Se usaban para estacionar o para bajar pendientes pronunciadas. Los trenes con estos frenos de mano se llamaban "no equipados" y se usaron en Gran Bretaña hasta 1985. Los trenes con frenos más potentes podían ir más rápido. Por ejemplo, en 1952, un tren de carbón de 850 toneladas podía ir a 61 km/h de media, mientras que los trenes de carga no equipados solo podían ir a 40 km/h.

En los primeros tiempos de las locomotoras diésel, se les añadía un ténder especial para aumentar la fuerza de frenado en trenes no equipados. Este ténder era bajo para que el maquinista pudiera ver bien.

En 1878, había más de 105 patentes de sistemas de frenado, pero la mayoría no se usaron mucho.

Frenos continuos modernos

A medida que los trenes se hicieron más pesados, rápidos y con más vagones, el frenado se volvió un desafío mayor. A finales del siglo XIX, aparecieron los "frenos continuos" mejorados. El primer tipo fue el freno de cadena, que usaba una cadena a lo largo del tren para activar los frenos en todos los vagones a la vez.

Pronto, el freno de cadena fue reemplazado por los frenos que usaban aire o vacío. Estos sistemas conectaban todos los vagones con mangueras, permitiendo al maquinista controlar todos los frenos desde la locomotora con una sola válvula.

Estos frenos continuos pueden ser simples o automáticos. La diferencia clave es qué pasa si el tren se divide. Con los frenos simples, se necesita presión para activarlos, y si la manguera se rompe, se pierde toda la capacidad de frenado. Esto causó accidentes graves.

Los frenos automáticos, en cambio, usan la presión de aire o el vacío para mantener la capacidad de frenado. Cada vagón tiene un depósito. Si se pierde la presión o el vacío en la manguera del tren, los frenos se activan automáticamente. Esto los hace más seguros, ya que funcionan "a prueba de fallos".

El freno de aire Westinghouse tiene una mejora adicional: una válvula especial y un depósito en cada vagón. Esto permite aplicar los frenos por completo con solo una pequeña reducción de la presión de aire, lo que acelera el proceso.

Los frenos no automáticos todavía se usan en locomotoras y algunos vagones antiguos para controlar el tren sin usar los frenos automáticos.

Tipos de frenos ferroviarios

Medidor de presión de aire de frenado. La aguja izquierda muestra la presión del depósito principal y la derecha la del cilindro de frenado.

Locomotora con manguera de freno de aire pequeña.

Freno de aire en Grecia.

Manivela de freno de un tren.

Freno mecánico

La mayoría de las locomotoras, coches de pasajeros y algunos vagones de carga tienen un freno de estacionamiento manual (freno de mano). Este freno actúa directamente sobre el sistema de frenado del vehículo. Sirve para evitar que los vagones y coches se muevan cuando están parados. Solo los frenos mecánicos se usan para esto, ya que los frenos de aire pueden perder fuerza con el tiempo debido a pequeñas fugas.

Hay dos tipos. Los frenos de mano que se pueden activar desde el vehículo se usan para evitar que se muevan y para controlar la velocidad en ciertas maniobras o detener trenes si el freno automático falla. Suelen ser frenos de tornillo y se operan desde una plataforma o desde el interior del vagón.

El freno de estacionamiento manual solo sirve para asegurar vehículos parados. Puede ser un volante o un freno de resorte.

En los trenes de cremallera, a menudo se instala un freno de trinquete que depende del sentido de la marcha. Este evita que el tren ruede hacia atrás en pendientes.

Frenos de aire vs. frenos de vacío

A principios del siglo XX, muchos ferrocarriles británicos usaban frenos de vacío, mientras que el resto del mundo usaba frenos de aire. La ventaja del vacío era que se podía crear con un inyector de vapor sin partes móviles, ideal para locomotoras de vapor. Los frenos de aire, en cambio, necesitaban un compresor ruidoso y complejo.

Sin embargo, los frenos de aire son mucho más potentes que los de vacío para un mismo tamaño de cilindro. Un compresor de frenos de aire puede generar una presión de 620 kPa (90 psi), mientras que el vacío solo puede generar unos 100 kPa (15 psi) (la presión atmosférica). Esto significa que un sistema de frenos de aire puede usar un cilindro de freno mucho más pequeño para la misma fuerza. Esta ventaja es aún mayor en lugares con mucha altitud, como Perú o Suiza. La mayor eficacia de los frenos de aire y la desaparición de las locomotoras de vapor han hecho que el freno de aire sea el más común hoy en día.

Visualmente, la diferencia se ve en el grosor de las mangueras: las de los frenos de aire son más delgadas (alta presión), y las de los frenos de vacío son más gruesas (baja presión).

Mejoras en los frenos de aire

Una mejora del freno de aire automático es añadir una segunda manguera de aire (la línea principal) en el tren. Esta manguera recarga los depósitos de aire en cada vagón y también puede usarse para operar puertas de carga o suspensión neumática en vagones de pasajeros.

Frenos electroneumáticos

Los frenos electroneumáticos son más avanzados. Usan una línea principal de aire comprimido para los depósitos de freno, pero las válvulas de freno se controlan eléctricamente con cables. Esto permite varios niveles de frenado y una aplicación más rápida, ya que la señal eléctrica llega a todos los vagones al instante. En un sistema convencional, el cambio de presión de aire tarda más en llegar al final del tren. Sin embargo, este sistema es caro y no se usa mucho en trenes de carga.

Frenos neumáticos controlados electrónicamente (ECP)

Los frenos ECP son un desarrollo más reciente (finales del siglo XX) para trenes de carga muy largos y pesados. Ofrecen un control aún mayor que los electroneumáticos. Además, el conductor recibe información sobre cómo funcionan los frenos en cada vagón.

Con este sistema, una línea eléctrica de control va de vagón en vagón. Las señales eléctricas se transmiten casi al instante, a diferencia de los cambios de presión de aire que son más lentos. Esto permite aplicar los frenos en todos los vagones al mismo tiempo, o incluso de atrás hacia adelante. Así se evita que los vagones de atrás "empujen" a los de adelante, lo que reduce la distancia de frenado y el desgaste.

Reversibilidad de los frenos

Las conexiones de freno entre vagones pueden ser más sencillas si los vagones siempre van en la misma dirección. Las locomotoras son una excepción, ya que pueden cambiar de sentido.

Sistemas de frenado avanzados

Tipos de sistemas de frenos

Fuerzas de frenado en un juego de ruedas.

Pastillas de freno en la rueda de un vehículo ferroviario.

Los trenes usan varios tipos de sistemas de frenado:

Frenos de fricción

Tren francés de limpieza de carriles.

Un ICE3 levantando arena sobre los carriles.

Arenero en el bogie de un vagón.

Los frenos de fricción más comunes en trenes son los de zapata (que aprietan la rueda) y los de disco. A veces también se usan frenos de tambor o de cinta.

Cuando las zapatas aprietan las ruedas, se genera una fuerza de fricción que frena el giro de la rueda. A su vez, esta fuerza se transmite al carril, haciendo que el tren reduzca su velocidad.

La fuerza de frenado no debe ser mayor que la fuerza de fricción entre la rueda y el carril. Si lo es, las ruedas patinan y se pueden formar "planos" en ellas, dañándolas. Como la fricción entre la rueda y el carril es menor que en los vehículos de carretera, los trenes necesitan distancias de frenado más largas. Los rieles pueden volverse resbaladizos con lluvia, niebla, hielo, hojas o aceite. Los sistemas antideslizamiento evitan que las ruedas patinen. Los areneros, que sueltan arena en el carril, ayudan a las locomotoras a arrancar con trenes pesados en pendientes.

Zapatas de freno

El freno de zapatas es el más simple y antiguo. Las pastillas de freno se presionan directamente contra la superficie de las ruedas. Suelen funcionar con aire comprimido.

Son baratos y ligeros. Además, el frenado limpia la superficie de las ruedas, lo que mejora la fricción. Sin embargo, generan mucho calor en las ruedas, las desgastan y hacen ruido.

Freno de disco

Disco de freno de una locomotora.

Freno de disco de un tren Eurocity.

Otro freno de fricción es el de disco, que también suele funcionar con aire comprimido. La pastilla de freno presiona sobre un disco especial montado en la rueda o en el eje. Los trenes modernos suelen tener de dos a cuatro discos de freno por eje, a menudo con ventilación.

Los frenos de disco tienen una fricción constante a cualquier velocidad y se enfrían mejor, lo que permite un mayor rendimiento. No desgastan la superficie de las ruedas y hacen menos ruido que los frenos de zapata. Su desventaja es que son más complejos.

Freno manual mecánico

La mayoría de los vehículos tienen un freno de estacionamiento manual (freno de mano). Este actúa mecánicamente sobre el sistema de freno y sirve para asegurar los vehículos parados. Se usa el freno mecánico porque los frenos de aire pueden perder presión con el tiempo.

El freno manual se puede accionar desde el vehículo para evitar que se mueva o para controlar la velocidad en maniobras. Suele ser un freno de tornillo operado desde una plataforma o desde el interior del vagón.

Los trenes de cremallera suelen tener un sistema de frenado mecánico automático con un trinquete para evitar que rueden hacia atrás.

Freno de carril

Freno de carril magnético en el bogie de un ICE 1.

Los frenos de carril suelen ser magnéticos. Unas zapatas de freno bajo el vehículo se presionan directamente sobre el carril usando imanes. Como la fuerza de fricción se aplica directamente al carril, no depende de la fricción rueda-carril. Son útiles para frenar de emergencia, especialmente en tranvías.

Otro tipo es el freno de pinza de los funiculares. Este usa zapatas que abrazan el carril por ambos lados y lo aprietan para frenar.

Diagrama de un freno de pinza.

Freno de deslizamiento controlado

Este freno no reduce la velocidad, sino que evita que las ruedas patinen por falta de agarre al carril, permitiendo un frenado suave. Las pastillas de freno se aplican y sueltan rápidamente con una válvula controlada automáticamente.

Dispositivo antideslizante

Si la fuerza de frenado es mayor que el agarre entre la rueda y el carril, las ruedas pueden bloquearse y patinar. Esto alarga la distancia de frenado y daña las ruedas. Los dispositivos antideslizantes evitan que las ruedas patinen.

Este sistema compara la velocidad de giro de las ruedas con una velocidad ideal. Si la diferencia es grande, el freno se suelta un poco. Si la rueda recupera velocidad, el frenado normal se reanuda. Esto ocurre en décimas de segundo.

Frenos electro e hidrodinámicos

Estos frenos no se desgastan y ayudan al freno de aire comprimido. Los trenes eléctricos usan frenos electrodinámicos, y los trenes con motores de combustión y transmisión hidráulica usan frenos hidrodinámicos. Un tipo de freno hidrodinámico para ejes no motores es el "retardador".

Freno electrodinámico

Automotor del Ferrocarril Rético. La energía de los frenos eléctricos se convierte en calor en las resistencias del techo.

En los trenes eléctricos, los motores pueden funcionar como generadores al frenar. La energía eléctrica generada se puede devolver a la red eléctrica (freno regenerativo) o convertirse en calor mediante resistencias. Este freno reduce la velocidad del tren y el desgaste de los frenos de fricción, incluso en bajadas, y a veces puede detener el tren por completo.

También se usa en locomotoras diésel-eléctricas. Sin embargo, en trenes diésel con transmisión hidráulica, no hay un motor eléctrico para este tipo de freno.

El freno electrodinámico es un freno adicional. El freno principal suele ser el de aire comprimido, que sí puede detener el tren por completo.

Freno hidrodinámico

Los trenes diésel con transmisión hidráulica pueden usar el freno hidrodinámico. Se instala un embrague hidráulico adicional. Cuando se frena, el rotor de este embrague es impulsado por las ruedas, y la fuerza de frenado se controla aumentando la presión del aceite. El calor generado debe disiparse por el sistema de refrigeración del tren.

Freno de corrientes de Foucault

Freno de corrientes de Foucault en el bogie del ICE S.

El freno eléctrico lineal de corrientes de Foucault se usa en trenes como el ICE 3. Su ventaja es que no depende del agarre entre la rueda y el carril, por lo que funciona bien en cualquier clima. Además, la fuerza de frenado se aplica sin contacto y se controla con mucha precisión, lo que evita el desgaste. También permite controlar el tren de forma segura en descensos largos sin sobrecalentar los frenos. Sin embargo, no puede detener el tren por completo, ya que su eficacia depende de la velocidad. También puede calentar los rieles y generar campos magnéticos que pueden interferir con los sistemas de señales.

En el freno de corrientes de Foucault giratorio, el carril actúa como electroimán y las corrientes se inducen en las ruedas del tren, frenándolo.

Frenos de engranajes

Rueda dentada de freno de un vehículo de la Wengernalpbahn.

En los ferrocarriles de cremallera, los frenos de fricción o magnéticos no son suficientes para detener el tren de forma segura. Por eso, estos trenes tienen frenos de engranajes. Son ruedas dentadas que se enganchan a la cremallera de la vía. En los trenes eléctricos, el freno de engranajes a menudo funciona como un freno regenerativo o de resistencia.

Requisitos de funcionamiento

Frenos de un vagón abierto.

Acopio de pastillas de freno.

Las normas ferroviarias modernas exigen que los trenes que van a más de 50 km/h tengan frenos automáticos continuos. "Continuos" significa que todos los frenos del tren se controlan desde un solo punto. "Automático" significa que el tren frena solo si el sistema de frenos se desconecta (por ejemplo, si el tren se separa).

Otros requisitos importantes son:

• Que los frenos sean compatibles con los sistemas de otros ferrocarriles.
• Que la fuerza de frenado se distribuya por todo el tren.
• Que la fuerza de frenado se ajuste al peso del tren.
• Que el freno sea potente y esté siempre disponible.

¿Qué son los "tirones" y "empujones" en los trenes?

Es importante que la fuerza de frenado sea adecuada en todo el tren para evitar "tirones" o "empujones" entre los vagones. Esto también asegura que el tren se detenga si se separa accidentalmente.

Un empujón ocurre cuando la parte trasera del tren empuja a la delantera, que ya está frenando. Esto puede pasar en trenes largos con frenos de aire controlados desde la cabina, porque la presión de aire tarda en llegar a los vagones de atrás. Así, los vagones de adelante frenan antes.

Un tirón ocurre cuando la parte trasera frena antes que la delantera. Las fuerzas que se generan pueden ser tan grandes que los acoplamientos entre los vagones no las soporten y el tren se divida. Esto es peligroso para otros trenes.

Palanca de la posición del freno de un vagón de mercancías.

Para evitar estos problemas, se ajusta el tiempo de aplicación y liberación del freno. La mayoría de los vehículos tienen una palanca para seleccionar diferentes tiempos de frenado. La posición se elige según el número de vagones, el peso del tren y las condiciones del trayecto.

Locomotoras de refuerzo

A veces, para trenes muy pesados en pendientes pronunciadas, se usan locomotoras de refuerzo. Estas dan más potencia, pero no siempre contribuyen al frenado. En los ferrocarriles de montaña, las locomotoras de refuerzo en la cola suelen usar sus motores como frenos eléctricos al bajar, lo que mejora el frenado y reduce el desgaste.

Freno de seguridad

El freno de seguridad no depende del agarre entre la rueda y el carril. Los frenos de carril y los de engranajes son ejemplos de frenos de seguridad. En algunos países, son obligatorios para circular en pendientes muy pronunciadas o en líneas de tranvías.

Trenes con frenado computarizado

Palanca de freno en un tren ICE 4.

En las locomotoras y trenes modernos con sistemas de control computarizados, el frenado se gestiona electrónicamente. Una computadora controla el freno de aire comprimido a través de una línea de datos. Sin embargo, siempre hay una válvula especial para el frenado de emergencia que abre directamente la línea principal de aire comprimido.

Accidentes relacionados con los frenos

Los frenos defectuosos o mal usados pueden hacer que un tren se descontrole, causando descarrilamientos o colisiones:

• Accidente ferroviario de Lac-Mégantic de 2013, Quebec (2013): Los frenos de mano se colocaron mal en un tren parado. Los vagones cisterna con petróleo rodaron sin control, descarrilaron por exceso de velocidad en una curva y causaron incendios que mataron a 47 personas.
• República Democrática del Congo (2007): 100 muertos por un tren que se descontroló.
• Desastre ferroviario de Igandu, Tanzania (2002): Un tren rodó hacia atrás, causando 281 muertos.
• Desastre ferroviario de Tenga, Mozambique (2002): Un tren rodó hacia atrás, causando 192 muertos.
• Desastre ferroviario de San Bernardino, California (1989): Fallaron los frenos de un tren de carga que chocó contra casas.
• Accidente ferroviario de Gare de Lyon, Francia (1988): Una válvula cerrada por error causó que un tren se descontrolara.
• Accidente ferroviario de Chester General, Reino Unido (1972): Fallaron los frenos de un tren de combustible que chocó contra otro tren parado.
• Chapel-en-le-Frith, Gran Bretaña (1957): Una tubería de vapor rota impidió que la tripulación aplicara los frenos.
• Accidente del tren Federal Express, Washington D.C. (1953): Una válvula cerrada por un diseño defectuoso.
• Accidente ferroviario de Torre del Bierzo de 1944, España (1944): Fallaron los frenos de un tren de pasajeros sobrecargado, chocando con otro en un túnel. Un tercer tren también chocó con los restos.
• Descarrile de Saint-Michel-de-Maurienne, Francia (1917): Un tren fuera de control en una pendiente, con frenos de aire en solo 3 de 19 vagones y una locomotora que no pudo mantener la velocidad. Murieron 700 personas.
• Desastre ferroviario de Armagh, Irlanda del Norte (1889): Un tren rodó hacia atrás, lo que llevó a cambios en las normas ferroviarias.

Fabricantes importantes

Véase también

En inglés: Railway brake Facts for Kids

Galería de imágenes

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  Una pinza de freno tradicional: la zapata de freno de fundición de hierro (marrón) se empuja contra la superficie de rodadura de la rueda (rojo), y es operado por las palancas (gris) de la izquierda