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Atrito
Pneu - Piso

Em primeiro lugar vamos olhar mais de perto a natureza do atrito, estudada segundo uma ciência chamada "tribologia". Segundo a teoria mais comum, o atrito surge das irregularidades entre as superfícies, que "engrenam", dificultando o avanço de uma superfície sobre a outra com que mantém contato. Verdadeira, mas não responde muitas das questões sobre outros fenômenos do atrito. Vamos estudar o seguinte caso: temos uma mesa de aço perfeitamente plana, com uma rugosidade muito baixa. Um verdadeiro espelho. Sobre esta mesa colocaremos um bloco de 1 kg de aço, também perfeitamente plano e polido. A força limite de atrito entre estas superfícies pode ser avaliada através de um dinamômetro. Agora, coloquemos sobre esta mesa um bloco igualmente pesado, plano e rugoso, só que feito de metal-patente (liga metálica de baixo coeficiente de atrito, com a qual se produz mancais de deslizamento, como algumas bronzinas). A força limite de escorregamento será menor do que no caso do bloco de aço. A resposta para esta diferença está na eletrosfera dos átomos das superfícies destes materiais. Quando duas superfícies são colocadas em contato, sem deslizamento, a pressão entre elas facilita com que os átomos das superfícies compartilhem elétrons, estabeleçam ligações e gerem aderência. Cada par de materiais geram um nível de aderência diferente, causando uma força de atrito diferente. Quando as duas superfícies sofrem esforços que forçam o deslizamento, as ligações são rompidas, e as superfícies deslizam. O esforço de deslizamento é menor do que aquele para iniciar o deslizamento, porque as ligações estabecem-se e rompem-se continuamente e não conseguem agir em conjunto, como fazem quando as superfícies não deslizam. O processo absorve energia para romper as ligações de compartilhamento, que é dissipada principalmente na forma de calor. Por isso (na grande maioria das vezes) o atrito estático é maior que o atrito dinâmico. Se observarmos microscopicamente o que ocorre quando variamos a área de contato, perceberemos, no caso dos blocos, que se colocarmos o bloco sobre uma face, e depois sobre outra, mas com metade da área, veremos que no segundo caso, a pressão exercida será o dobro em relação à primeira situação. Isto aumenta o número de ligações. No caso de atrito seco clássico, ou newtiano ( Fa = µ * N ), uma situação compensa a outra, e a força limite de atrito não se altera. Mas existem casos extremos. Se a força normal (N) for muito pequena, um número muito pequeno de ligações se estabelecem e a força de atrito fica abaixo do limite. Se a área de contato for MUITO pequena,  esse texto pertence a TechnoRace continuando as poucas ligações disponíveis podem ser rapidamente saturadas, gerando uma força de atrito abaixo da prevista. Um exemplo que pode ser dado deste segundo caso é o da patinação no gelo. Literalmente, os patins são lâminas que deixam seu bordo mais fino voltado para o gelo.

Quando o patinador fica de pé sobre o gelo, a lâmina do patim aplica sobre o gelo uma pressão muito alta, e deforma o gelo, criando um trilho que dificulta o movimento lateral do patim. Isto facilita o controle direcional e o impulso por parte do patinador, que tenta cravar lateralmente a lâmina no gelo para fazer curvas, ganhar velocidade e frear. Mas com a área de contato reduzida, a resistência ao avanço do patim é muito pequena, e com a técnica adequada, pode-se conseguir grandes velocidades com um esforço mínimo. Agora, faça uma experiência: dê um impulso semelhante entre um patinador e um esquiador sobre um lago gelado, e veja quem para primeiro. Vocês respondem o resultado. Esta teoria explica diversos fenômenos relacionados com o atrito, até mesmo a eletrização de um bastão de ebonite, atritado por um tecido de lã. Outra questão com relação a este assunto é a questão do atrito seco não clássico, isto é, não é regido pela equação " Fa = µ * N ". Embora sejam mais excessões a uma regra geral, existem muitos materiais e pares de materiais que não se comportam de forma convencional. Um material com estas características é o teflon. Este é um polímero feito de uma cadeia de carbonos, com as ligações dos carbonos não pertencentes à cadeia ocupadas com átomos de flúor. E o flúor é um elemento químico que, quando alcança a estabilidade química em uma molécula, fica extremamente estável quimicamente. O resultado é que o flúor presente no teflon tem pouquíssimas afinidades de compartilhamento de seus elétrons, resultando em um dos mais inertes materiais do ponto de vista químico conhecido. Quando testamos as características de atrito do teflon, descobrimos que este é o material que cria os menores coeficientes de atrito conhecidos entre sólidos, qualquer que seja o material com que forme par. Por isto ele é tão usado em buchas de deslizamento em móveis e equipamentos.

Mas não para aí... O teflon tem uma propriedade que o atrito estático é menor que o atrito dinâmico (ao contrário da teoria geral), e a transição entre os valores do atrito estático e o patamar do atrito dinâmico não é abrupto como no atrito estático, mas sim, varia com a velocidade de deslizamento. Outros materiais tem questões diversas com seu comportamento não linear de atrito, em especial aquelas onde o atrito é intencionalmente desejado, e os componentes se desgastam para obtê-lo. Nos automóveis, podemos classificar nesta situação, além dos pneus, também os freios e a embreagem convencional. Deixando de lado os problemas de aquecimento e desgaste (que influem e muito), se fôssemos seguir a teoria clássica do atrito, pouco interessaria a largura da pastilha de freios ou do disco da embreagem pois o atrito (e o torque gerado por ele) não variaria. Uma pequena banda de material em torno de uma linha média igual ao do componente real seria suficiente pela teoria, mas não é. Experimentem colocar uma pastilha de freios com metade da área e tentem frear o carro, mesmo em velocidade reduzida (prá não ter problemas de aquecimento), vejam como o carro demora muito mais prá parar. Experimentem colocar um jogo de pastilhas enormes, e terão um freio que trava ao menor sinal no pedal do motorista. Com a embreagem ocorre o mesmo. No caso dos pneus, além das mesmas questões relacionadas acima (já que o pneu gera grip através de seu desgaste), ele tem um comportamento elástico não linear, e propriedades eletrostáticas de aderência toda particular por causa de sua estrutura molecular.

A força limite de atrito estático é dada pela fórmula :
Fa = µ * N ;

Fa : Força limite de atrito estático.
µ : Coeficiente de atrito estático.
N : Força normal (perpendicular) à superfície de contato.

Segundo esta fórmula, a força limite de atrito estático independe da área de contato. Depende unicamente do esforço de contato entre as duas superfícies e da natureza das duas superfícies. Lembram-se dos livros de física de 2º Grau? Bem, eu me lembro bem dos laboratórios de física, onde, numa experiência, usávamos um bloco de madeira com as três dimensões diferentes, e o puxávamos com um dinamômetro até o escorregamento, cada vez com o bloco apoiado sobre uma face e com orientação de escorregamento diferentes. E esta teoria funcionava. Mas descobri que esse não é um mundo perfeitamente linear. Quando fiz meu curso de engenharia, descobri que existe uma tal de "teoria molecular da aderência", que explica entre outras coisas, o atrito entre corpos, o funcionamento das colas e dos lubrificantes, e ajuda a explicar o deslocamento de um corpo sólido num meio fluídico. Segundo esta teoria, o atrito não é apenas um fenômeno das irregularidades das superfícies, mas principalmente é uma interação eletroquímica entre as moléculas das duas superfícies. Um dos fenômenos explicados por esta teoria é que se a área de contato ficar abaixo de um patamar mínimo, a força limite de atrito estático diminui proporcionalmente à redução de área. Algumas aplicações práticas desta teoria são a utilização de mancais de agulha nos relógios mecânicos, e o príncipio de alto rendimento dos rolamentos.

O ATRITO NOS PNEUS

Quando levamos esta teoria para o mundo dos pneus, aí as coisas se complicam. Como venho reafirmando através do tempo aqui nesse texto, e até para meus amigos e clientes da technorace, os pneus são os mais sofisticados componentes de um automóvel, do ponto de vista tecnológico. Isto acontece porque o pneu é um componente elástico não linear, suportado por componentes mecânicos que possuem um funcionamento geométrico complexo e muito sutil nos detalhes, e submetido a esforços dos mais variados. Num carro movimentando-se em linha reta, num terreno plano, os pneus deformam-se e cria-se uma área de sustentação ovalada (para efeito de projeto, considera-se esta área como elíptica), com pressão no sentido vertical uniformemente distribuída ao longo desta área. Considera-se que o centro de reação deste pneu fica no centro geométrico da elipse. E o peso do carro é igual à soma destas áreas, multiplicadas pela pressão dos pneus. Esta é uma simplificação muito boa para estudar as características de estabilidade direcional do carro em movimento retilíneo. Quando o carro acelera, o torque aplicado ao pneu comprime a borracha da banda de rodagem, e é assim que ela entra em contato com o solo. Quando esta borracha estiver próxima de sair do contato, será puxada pela banda que já deixou o contato, e acaba escorregando sobre a superfície do solo. Isto dá uma leve "lixada" na borracha do pneu. Quando se freia, acontece o efeito contrário... isto é : a borracha entra em contato com o solo tracionado e sai de lá comprimida. Este comportamento pode, em alguns automóveis, criar indesejáveis bandas de desgaste paralelas ao eixo de rotação do pneu. No caso do chevette, a coisa era tão notória, que até consta como condição "normal" de desgaste, segundo o manual do proprietário. Percebam que o estado de tensões a que a borracha da banda de rodagem é submetida varia ao longo da rolagem. Esse constante efeito de escorregamento significa que o pneu praticamente não possui uma parte significativa parada em relação ao solo. Mas, quando estuda-se o comportamento em curva, estes efeitos complicam-se bastante, pois além dos esforços longitudinais, aparecem os esforços transversais, responsáveis pela capacidade de fazer o carro curvar. No instante em que um carro faz uma curva, seu pneu tende a se dobrar, tão profundamente quanto menor for sua largura. Outros fatores importantes que afetam este comportamento é o ângulo de câmber e o de rolling do carro. Isto afeta profundamente o estado de tensão da banda de rodagem. A elipse de apoio do pneu deforma-se, alargando-se para o lado externo da curva, tendendo a carregar para este lado o centro de esforço. Do lado interno da curva, o nível de esforço é reduzido, e, nas suas bordas, a capacidade de aderência é comprometida pela redução de esforço vertical. Com o efeito de escorregamento constante, o pneu segue uma trajetória de curva mais aberta do que a determinada pelo ângulo de guinada da roda. Este efeito é conhecido como "slip angle", ou ângulo de escorregamento. Segundo as avaliações feitas em laboratório, a diferença entre um carro fazer uma curva "nos trilhos" e escapar na curva com sobre ou sub-esterço é uma simples questão de gradação deste efeito. Quando a curva é feita no limite, ou um esforço limite de aceleração ou frenagem são feitos, começa a aparecer um outro efeito de aderência chamado "stick-slip", ou, digamos, "prende-escorrega".

Este efeito ocorre em função da elasticidade do pneu, onde uma parte da borracha fixa-se momentâneamente ao solo, mas a transferência de esforço transversal faz com que ela acumule tensão de "compressão" e ultrapasse o limite de atrito estático e escorregue até que a tensão de compressão seja reduzida e a borracha se fixe novamente. Este efeito é percebido pelo motorista como o assovio e, posteriormente, a cantada de pneu. Todos estes efeitos que influenciam no rendimento do pneu podem ser grandemente controlados por um projeto apropriado de carcaça do pneu, pela largura da banda de rodagem, pela especificação apropriada da composição da sua borracha, de um bom projeto de suspensão, que contemple o pneu e as características de projeto e utilização do veículo. Um pneu de automóvel é projetado para ter máximo rendimento para funcionar próximo da vertical, com uma leve cambagem em relação a este tão mais negativa quanto menor for a largura do pneu. Como o carro tende a rolar para o lado de fora da curva, para manter a atitude correta em relação ao solo, o pneu deverá se inclinar em relação ao carro proporcionalmente à sua rolagem, o que é feito através de um projeto apropriado da geometria da suspensão.

Como se pode ver, não se pode afirmar de forma simplória que um carro faz curva de forma igual, independente da largura da banda de rodagem.

Sabemos que uma banda de rodagem mais larga aumenta o atrito de rolagem e o arrasto aerodinâmico de qualquer carro. Se esta estória que a largura não influenciasse o rendimento em curva de um carro, as fábricas de bólidos se esmerariam em criar modelos com pneus tão estreitos quanto os de bicicletas de corrida. Creditar a largura dos pneus apenas às micro-fissuras do solo também não é apropriado, pois se olharmos as pistas ovais por onde se disputam as provas de NASCAR, indy e fórmula mundial, veremos que as especificações do asfalto são rigorosas, com rugosidade controlada e limitação máxima às ondulações ("bumps"). Apesar de tudo isso, estes bólidos não usam pneus significativemente mais estreitos do que os usados pelos F1, que correm em circuitos pelo mundo todo e que não tem tanta observação ao quesito "piso". Ao contrário, são até mais largos. Quanto ao uso de pneus frisados na F1 no lugar dos slick, o problema não se resume à redução da área de contato, mas também à diminuição da estabilidade lateral da banda de rodagem. Quem já andou no alfalto com um carro que tinha pneus lameiros, com grandes gomos salientes de borracha (pneus relativamente comuns de se ver nos toyota bandeirante melhor equipados), sabe que o carro "dança" normalmente (efeito conhecido como "shimmy") pela flagrante falta de estabilidade lateral da banda de rodagem. E, se eu estiver redondamente enganado na minha explicação, por favor, avise urgentemente aos fabricantes, pois eles (que são a fonte das minhas informações) provavelmente não estão sabendo nada como se constroem pneus.