Por razones puramente físicas, la configuración que suelen tener las bicicletas, suele conllevar que las suspensiones interactúen en las frenadas, provocando una verticalización del ángulo de dirección. A esta interacción se le llamará “interacción natural” en este trabajo. Pero a parte de esta puede haber otra interacción al frenar, la que provoque la pinza de freno.
Tal como se ha explicado en la teoría, las suspensiones actúan ante cualquier fuerza sobre la bicicleta. De la misma manera que en el apartado anterior se ha estudiado la interacción de las fuerzas de transmisión con la suspensión, en éste se pretende estudiar el efecto que crean las fuerzas de frenada sobre la suspensión. Para empezar habría que recalcar que ambos tipos de fuerza son distintas; mientras que las fuerzas de la transmisión son oscilatorias, variando tanto la magnitud como la orientación de las mismas, las de frenado siempre mantienen la misma dirección (la opuesta al desplazamiento). Al ser esta última más determinada puede resultar más fácil anular los efectos de la misma.
Al frenar se generan dos fuerzas de deceleración, una en cada rueda, que se representan como fuerzas de fricción entre las ruedas y el terreno (F1H y F2H). En la misma frenada también aparece la fuerza de inercia (F3) que representa la tendencia que tiene el cuerpo del ciclista a seguir avanzando con la misma velocidad. Esta fuerza a igualdad del peso se sitúa en el centro de gravedad, y mientras que el peso es la multiplicación de la masa por la gravedad (una aceleración), la inercia es la masa multiplicada por la desaceleración de frenada. Y será también la suma de las dos fuerzas de frenada. Pudiéndose determinar con la variable r la influencia de cada fuerza de frenada en la deceleración total.
El valor de r puede variar entre 0 y 1, y depende por un lado de los distintos frenos utilizados en cada eje, y sobretodo de la fuerza de frenada aplicada a cada freno. En el estudio realizado, la fuerza aplicada sobre los frenos ha sido siempre la misma y los frenos, ambos de disco, se han diferenciado en su tamaño; estando el contacto de la pastilla en un radio de 85 mm (disco de 180 mm) en el delantero y 75 mm (disco de 160 mm) en el trasero. Esto supone un valor r de 0,47 para cualquier caso estudiado; todas las bicicletas independientemente de que sean de XC o DH se han estudiado con la misma combinación de frenos y bajo la misma deceleración (2 m/s2).
Pero los arriba descritos no son las únicas fuerzas que aparecen, puesto que para equilibrar el momento generado por la fuerza de inercia han de aparecer unas fuerzas verticales en los puntos de contacto (F1V y F2V) (Figura 1).
Fig. 1: Equilibrio de fuerzas en frenada
Aplicando la suma de momentos respecto al punto 2, se puede obtener el valor de la fuerza vertical en el punto 1 (la fuerza vertical en el punto 2 será de la misma magnitud y dirección contraria para mantener el equilibrio de fuerzas en el eje vertical).
Sumando ambas fuerzas del punto 1, se obtendrá la fuerza total que ha de soportar la rueda trasera ante una frenada. Esta fuerza aplicada sobre el punto de contacto será la que provoque la interacción de la suspensión en la frenada. La proyección de esta fuerza sobre la trayectoria del punto de contacto indicará la fuerza que tiene que soportar la suspensión. En el caso de que la trayectoria del punto de contacto sea perpendicular a la fuerza, la suspensión no experimentara ninguna interacción al frenar (por lo menos por este efecto) (Figura 2).
Fig. 2: Trayectoria óptima del punto de contacto
La altura h del centro de gravedad depende de la geometría de la bicicleta, pero especialmente de la posición del ciclista sobre la bicicleta. En los estudios realizados se ha supuesto una misma posición, misma distancia entre el eje pedalier y el centro de gravedad, para el ciclista en todos los modelos analizados, aunque esto sea poco realista, ya que en las bicicletas de XC el ciclista suele adaptar posturas donde el CG se sitúa más bajo que en las posturas adoptadas en bicicletas DH. Con esta hipótesis, el valor de la altura total hasta el suelo, h, suele ser muy similar a la longitud entre ejes de la bicicleta. Suponiendo que ambos son iguales, el ángulo óptimo de la trayectoria en el punto de contacto para evitar la interacción de la suspensión con la frenada sería de entorno a 25º. Si el ángulo fuera mayor la suspensión tendería a extenderse al frenar, mientras que si fuera menor tendería a comprimirse. El ángulo de la trayectoria normalmente suele ir variando durante el recorrido, por lo que también cambia el comportamiento en la frenada. La proximidad al ángulo óptimo indica la magnitud de la fuerza que interactuará con la suspensión, pero el grado de interacción dependerá también de la sensibilidad de la suspensión, así por ejemplo si la suspensión es muy progresiva con una alta sensibilidad inicial, la interacción sobre la suspensión será mayor para una misma fuerza.
Aunque en este estudio no se pretenda analizar las suspensiones delanteras, se podría realizar el mismo cálculo para la fuerza en el punto 2, de donde obtendríamos que el ángulo ideal para la trayectoria del punto de contacto fuera de entorno a unos 152º para la misma condición. Pero en realidad se suelen utilizar ángulos de entorno a 65-70º (por motivos de absorción), lo que supone que la fuerza es casi paralela a la trayectoria, por lo que las suspensiones delanteras suelen experimentan una gran compresión, que indica una alta interacción de la suspensión con la frenada.
En cuanto a las trayectorias del punto de contacto trasero, sí que existe mayor variedad en cuanto a los ángulos, pero la gran mayoría de estos (por no decir la totalidad) tienen ángulos mayores a los 25º aquí calculados, lo cual indicaría una extensión de la suspensión, lo que unido a la compresión de la horquilla delantera supone una gran verticalización del ángulo de dirección, lo que a su vez supone una perdida de estabilidad.
Pero tal como se ha dicho con anterioridad, la interacción depende también de la fuerza de frenada, de este modo sería posible controlar la interacción de la suspensión con la fuerza aplicada al freno. Si se aplica una fuerza mayor al freno trasero, el ángulo óptimo de la trayectoria sería mayor, con lo que la fuerza de frenada podría no provocar ninguna extensión, e incluso se podría hacer que provocará una compresión para compensar la compresión de la horquilla delantera.
Esto es para evitar la verticalización de la dirección al frenar suele interesar que la mayor fuerza de frenada sea realizada en la rueda trasera. Pero la fuerza de frenada ejecutable en cada rueda viene limitada por la adherencia del terreno, la cual se cuantifica por el coeficiente de rozamiento μ. Esta constante relaciona la fuerza horizontal transmitible en función de la fuerza vertical transmitida. Esto es, cuanto mayor sea la fuerza normal que soporta la rueda mayor será la capacidad de retención de esta rueda. Al frenar (normalmente en bajadas) el reparto de peso suele variar, aumentando el peso sobre la rueda delantera y disminuyendo sobre la trasera, es por ello que la rueda trasera tiene poca capacidad de retención, y deba ser la delantera la que realice el mayor trabajo de frenada (por esta razón es común ver frenos más potentes en el eje delantero que en el trasero). En frenadas, en las que se busque la mayor deceleración es imprescindible utilizar el freno delantero, con lo que es inevitable que la dirección se verticalice, pero cuando la frenada se utiliza sólo como control es posible evitar usar el freno delantero y utilizar al máximo el trasero, con lo que se minimiza la verticalización de la dirección. Esta técnica puede resultar muy útil para bajar grandes pendientes a baja velocidad. Si el control de la velocidad se realiza solo con el freno trasero (evitando a poder ser el derrapaje), la dirección se mantendrá suficientemente tumbada y el centro de gravedad lo suficientemente retrasado para garantizar la estabilidad. Sin embargo si se usará el freno delantero el centro de gravedad podría adelantarse en exceso con el resultado de que el ciclista diera una vuelta campana (caerse por delante de la bicicleta a causa de que la bicicleta gira hacia delante respecto a la rueda delantera).
Al accionar el freno, la pastilla roza contra el disco procurando minimizar la velocidad relativa entre ambas piezas, para lo que existen dos posibilidades; por un lado disminuir la velocidad de giro de la rueda y por otro hacer que la pinza gire en el mismo sentido de la rueda. Esto último sólo será posible si durante el recorrido de la suspensión trasera la pinza cambia de orientación, si esto es así las fuerzas de frenada interactuarán con la suspensión, desplazando esta en el sentido que corresponda al giro de la pinza en sentido de avance de la rueda. Lograr la independencia entre la fuerza de frenada en la pinza y la suspensión es sencillo, basta con hacer que la pinza no gire durante el recorrido de la suspensión trasera, para lo que puede utilizarse un sistema de pinza flotante.
Si durante la compresión de la suspensión la pinza de freno gira en el sentido de avance de la rueda (de aquí en adelante giro positivo o ángulos positivos), al frenar las fuerzas de la pinza tenderán a comprimir la suspensión. Cuanto mayor sea el giro de la pinza, mayor será la energía transmitida por la pinza (La energía es igual al par de frenada multiplicado por el ángulo desplazado), por lo que mayor deberá ser la compresión del amortiguador para absorber dicha energía (la energía absorbida es igual a la fuerza por el desplazamiento). Sin embargo, si durante la compresión de la suspensión la pinza tiene un giro negativo, las fuerzas de frenada provocarán la extensión de la suspensión.
En la gran mayoría de diseños del mercado, las pinzas suelen experimentar un giro positivo durante la compresión de la suspensión, y esto es en gran medida un efecto buscado, puesto que con ello se consigue comprimir la suspensión, con lo que se compensa en parte la tendencia natural de la suspensión a extenderse al frenar, y así la verticalización de la dirección al frenar es menor.
En principio parece interesante el colocar la pinza de freno de forma que anule del todo la tendencia a la extensión de la suspensión, pero en realidad esto no es tan beneficioso. Por cuestión de inercias la compresión inducida por el freno sucede más rápido que la extensión debido al reparto de pesos, es por ello que la rueda trasera pierde fuerza de contacto con el suelo, pudiendo incluso llegar a despegarse del suelo, y con ello la rueda ya no es tan capaz de seguir las irregularidades del terreno a la vez que pierde capacidad de frenada, facilitando el bloqueo de la rueda. Debido a la incapacidad de la suspensión de dibujar el terreno, también se suele decir que una alta interacción de la pinza de freno supone una pérdida de sensibilidad de la suspensión. Es por esto que en diseños de suspensión de DH, se procura disminuir el efecto de la pinza mediante mecanismos de "frenos flotantes", con los que se reduce el giro de la pinza (no suele interesar anularlo), y con ello aumenta la sensibilidad de la suspensión a pesar de que la verticalización de la dirección será mayor (para que esto no sea un problema, estos diseños cuentan con direcciones muy tumbadas, que además suelen aportar un mayor aplomo a altas velocidades).
Algunos opinan que en un diseño que tiene una alta interacción en la frenada con la suspensión, que como la suspensión se comprime más, la fuerza de contacto con el terreno de la rueda trasera es mayor y con ello la tracción. Pero la fuerza de contacto es igual, la que origina el reparto de pesos incluyendo la de la inercia. Aún así sí que es verdad que el amortiguador recibe una mayor fuerza y es por ello que se comprime más, pero la mayor fuerza se debe a la creación de fuerzas internas originadas por la pinza de freno.
En sistemas de progresividad creciente (la gran mayoría), el trabajar con la suspensión más comprimida supone una menor sensibilidad de las suspensiones, esto es para la misma fuerza el desplazamiento de la suspensión es menor. Este hecho también contribuye a la sensación de menor sensibilidad que transmiten los diseños de alta interacción con la frenada.
Además de la ventaja del control de la verticalización de la dirección, la interacción de frenada, también podría tener otra ventaja debido a que como la suspensión trabaja más comprimida el recorrido disponible en extensión es mayor. Podría darse el caso de que en una suspensión sin interacción, que en una frenada fuerte tras la cual hay un agujero profundo el sistema no fuera capaz de absorberlo, y sin embargo en uno con mayor interacción quedará recorrido suficiente para ello.
Del mismo modo que con la interacción con la transmisión, aquí también está claro que una cierta interacción de la frenada es beneficiosa (y por ello mismo en los diseños de freno flotante donde es posible anularlo, no se anula), pero hay que controlar que la misma tampoco sea excesiva. Esto al final depende en gran medida de las preferencias del ciclista. Aunque es verdad que en el mercado existen muchos sistemas con exceso de interacción y muy pocos (por no decir ninguno) con falta de interacción.