thumb|right|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
Un freno ferroviario es un tipo de freno utilizado en el material remolcado ferroviario, con el fin posibilitar la desaceleración de los trenes, controlar su aceleración (cuesta abajo) o mantenerlos inmóviles cuando están estacionados. Si bien el principio básico es similar al de los frenos empleados en los vehículos de carretera, sus características operativas son más complejas debido a la necesidad de controlar varios remolques enlazados y a la condición de ser efectivos en los vehículos que se quedan sin una locomotora. En el presente artículo se analizan los diferentes sistemas utilizados para controlar los frenos de apriete (en los que el efecto de frenado se confía al rozamiento generado entre zapatas y ruedas al aplicar entre ambos una fuerza de compresión), que han sido utilizados históricamente en los trenes desde los comienzos de la tecnología de los ferrocarriles de vapor.
Así mismo, también se incluye una descripción general de los distintos sistemas de frenado (de apriete, mecánicos, hidrodinámicos, electrodinámicos, de corrientes de Foucault y otros) que se emplean en los ferrocarriles.
Desarrollo de los frenos continuos Primeros tiempos thumb|Un freno de cinta instalado en una locomotora de vapor de 1873 de los Ferrocarriles de Rigi
En los primeros días de los ferrocarriles, la tecnología de frenado era muy incipiente. Los primeros trenes tenían frenos operativos en la locomotora ténder y en los vehículos que formaban el tren, donde los guardafrenos viajaban en coches y vagones para operar los frenos. Algunos ferrocarriles instalaron un silbato de freno especial de nota profunda en las locomotoras para indicarles la necesidad de aplicar los frenos. Todos los frenos en esta etapa de desarrollo se aplicaron mediante la operación de un tornillo enlazado a bloques de freno aplicados a las bandas de rodadura de las ruedas, y estos frenos se podían usar cuando los vehículos estaban estacionados. En los primeros tiempos, los guardafrenos viajaban en toscos refugios situados fuera de los vehículos, pero fueron sustituidos por asistentes que viajaban dentro de los vehículos de pasajeros, con acceso a una rueda de freno en su puesto. El esfuerzo de frenado que se podía lograr era limitado y poco fiable, ya que la aplicación de los frenos por parte de los encargados dependía de su audición y de su respuesta rápida al silbato de freno.
Un desarrollo temprano fue la aplicación de un freno de vapor a las locomotoras, donde la presión de la caldera se podía aplicar a las zapatas de freno de las ruedas de la locomotora. A medida que aumentaba la velocidad del tren, se hizo esencial proporcionar un sistema de frenado más potente, capaz de ser aplicado y liberado instantáneamente por el operador del tren, descrito como un freno "continuo" porque sería efectivo continuamente en el tren.
En el Reino Unido, el accidente ferroviario de Abbots Ripton de enero de 1876 se vio agravado por las largas distancias de parada de los trenes expresos sin frenos continuos, que se constató que en condiciones adversas podían superar considerablemente las estimadas al colocar la señalización. Esto se había hecho evidente a partir de las pruebas de frenos de ferrocarril realizadas en Newark el año anterior, para facilitar el trabajo de una Comisión Real que estaba investigando accidentes ferroviarios. En palabras de un agente ferroviario de la época, estas pruebas...
...demostraron que, en condiciones normales, se requería una distancia de para detener un tren cuando viajaba entre , muy por debajo de la velocidad de viaje ordinaria de los trenes expresos más rápidos. Los agentes ferroviarios se sorprendieron por este resultado, y se admitió de inmediato la necesidad de disponer de mucha más potencia de frenado.T E Harrison (Ingeniero Jefe del Ferrocarril del Noreste en ese momento, documento de diciembre de 1877 citado (página 193) en F.A.S.Brown Great Northern Railway Engineers Volume One: 1846–1881, George Allen & Unwin, London, 1966: (para aquellos que sienten que los victorianos deberían tener conversiones métricas adaptadas: a velocidades de - las distancias de parada obtenidas fueron de - )
Las pruebas realizadas tras el accidente de Abbots Ripton concluyeron lo siguiente (para un tren expreso que coincidía aproximadamente con uno de los involucrados en el siniestro, en una pendiente descendente similar de 1 en 200, pero con diferentes sistemas de frenado en condiciones favorables):
Sistema de frenadoVelocidad del trenDistanciaTiempo hasta la detención (s)mphkm/hydmContinuo (vacío)26Continuo (vacío)303 furgones de frenos592 furgones de frenos442 furgones de frenos551 furgón de frenos70
Sin embargo, no hubo una solución técnica clara al problema, debido a la necesidad de lograr una tasa de esfuerzo de frenado razonablemente uniforme en todo el tren, y debido a la necesidad de agregar y quitar frecuentemente vehículos del tren en distintos puntos del viaje (por entonces, los trenes unitarios con las mismas unidades entre origen y destino eran una rareza).
Los principales tipos de solución fueron:
Sistema de resorte: James Newall, constructor de vagones del Ferrocarril de Lancashire y Yorkshire, obtuvo en 1853 una patente para un sistema mediante el cual se usaba una varilla giratoria que pasaba en el tren para enrollar las palancas de freno de cada vagón contra la fuerza de unos muelles cónicos montados en cilindros. Una barra articulada, montada por encima del techo de los vagones sobre cojinetes de deslizamiento de goma, estaba equipada con juntas cardánicas y secciones deslizantes cortas para permitir el movimiento relativo entre los topes de los vagones. Los frenos se controlaban desde un extremo del tren. Para soltar los frenos, el guardafrenos tensaba la varilla para comprimir los resortes, y quedaba retenida por un único trinquete bajo su control (aunque en una situación de emergencia, el maquinista podía tirar de una cuerda para liberar el trinquete). Cuando se soltaba el trinquete, los resortes aplicaban los frenos. Si el tren se dividía, los frenos no eran accionados por el trinquete en el compartimento del guardafrenos, pero sí en los coches restantes . El exceso de recorrido en los acoplamientos limitaba la eficacia del dispositivo a unos cinco vagones, y se necesitaban protecciones adicionales y compartimientos de frenos si se excedía este número. Este aparato se vendió a algunas empresas y el sistema recibió la recomendación de la Cámara de Comercio. El Ferrocarril de Lancashire y Yorkshire realizó una prueba simultánea con un sistema similar diseñado por otro empleado, Charles Fay, pero se encontró poca diferencia en su efectividad. En la versión de Fay, patentada en 1856, las varillas pasaban por debajo de los coches y la aplicación directa del resorte a cada freno estaba equipado con un tornillo sin fin intermedio. Se mantuvo la importante función "automática" del sistema de Newall, pero el tornillo sin fin aseguró que los frenos no actuaran con demasiada fuerza cuando se accionaban. Fue la versión de Fay del sistema que la compañía presentó en las pruebas de frenos realizadas en Newark en junio de 1875, donde se logró un rendimiento moderado, generalmente en la posición media de los ocho sistemas puestos a prueba.
El freno de cadena, en el que se conectaba una cadena de forma continua en la parte inferior del tren. Cuando se conectaba, activaba un embrague de fricción que se valía de la rotación de las ruedas para apretar un sistema de frenos en ese punto. Este sistema tenía severas limitaciones en la longitud del tren que se podía controlar (ya que la fuerza de frenado era considerablemente más débil después del tercer vagón), y además no se podía lograr un buen ajuste mecánico (debido a la holgura que requieren los acoplamientos entre coches, que una cadena de longitud fija no podría tener en cuenta). En los Estados Unidos, el freno de cadena fue desarrollado y patentado de forma independiente por Lucious Stebbins de Hartford en 1848 y por William Loughridge de Weverton (Maryland) en 1855. La versión británica se conocía como Clark and Webb Brake, en honor a John Clark, quien lo desarrolló a lo largo la década de 1840, y a Francis William Webb, que lo perfeccionó en 1875. El freno de cadena se mantuvo en uso hasta la década de 1870 en América y hasta la década de 1890 en el Reino Unido. El freno Heberlein es una variante notable del freno de cadena popular en Alemania, que utilizaba un cable aéreo en lugar de una cadena con eslabones situada por debajo. Frenos hidráulicos. La presión de accionamiento para aplicar los frenos se transmitía hidráulicamente (como en los frenos de los automóviles). Estos encontraron cierto favor en el Reino Unido (por ejemplo, en los ferrocarriles Midland y Great Eastern), pero se usó agua como fluido hidráulico e incluso en el Reino Unido "las posibilidades de congelación se opusieron a los frenos hidráulicos, aunque el Great Eastern Railway, que los usó por un tiempo, superó este problema mediante el uso de agua salada".The Midland supplied both the hydraulic-braked trains trialed at Newark (see below) El sistema de vacío simple. Un eyector en la locomotora creaba un vacío en una tubería continua en el tren, lo que permitía que la presión de aire externa hiciera funcionar los cilindros de freno de cada vehículo. Este sistema era muy barato y eficaz, pero tenía la gran debilidad de que dejaba de funcionar si el tren se dividía o si se rompía la tubería. El freno de vacío automático. Este sistema era similar al sistema de vacío simple, excepto en que la creación de vacío en la tubería del tren sacaba el aire de los depósitos de vacío situados en cada vehículo para liberar los frenos. Si el maquinista aplicaba el freno, la válvula de freno admitía aire atmosférico en la tubería del tren, y esta presión atmosférica accionaba los frenos al eliminar el vacío en los depósitos. Al ser un freno automático, el sistema introducía un esfuerzo de frenado si el tren se dividía o si se rompía la tubería. Su desventaja es que se requerían grandes depósitos de vacío en todos los vehículos, y su volumen y los mecanismos bastante complejos se consideraban poco convenientes. El sistema de freno de aire Westinghouse disponía depósitos de aire en cada vehículo, y la locomotora cargaba la tubería del tren con una presión de aire positiva, que liberaba los frenos del vehículo y cargaba los depósitos de aire de los vehículos. Si el maquinista aplicaba los frenos, su válvula liberaba aire de la tubería del tren y las válvulas triples en cada vehículo detectaban la pérdida de presión y admitían aire de los depósitos de aire a presión hacia los cilindros de freno, accionando los frenos. El sistema Westinghouse utiliza depósitos de aire y cilindros de freno más pequeños que el equipo de vacío correspondiente, ya que se puede utilizar una presión de aire relativamente alta. Sin embargo, se requiere un compresor de aire para generar el aire comprimido y, en los primeros días de los ferrocarriles, esto requería un gran compresor de aire de vapor alternativo, y muchos ingenieros lo consideraban poco práctico. Otro inconveniente era la necesidad de soltar el freno por completo antes de poder volver a aplicarlo; inicialmente no había una "liberación gradual" disponible y se produjeron numerosos accidentes mientras la potencia del freno no estaba disponible temporalmente.
Nota: además de los aquí descritos, se desarrollaron numerosas variantes y mejoras de todos estos sistemas.