Física ao andar de carro

Circular de carro traz discussões interessantes, como o conceito de velocidade e de segurança, distância para frear, quanto tempo se perde em um congestionamento (e o quanto se ganha indo mais rápido), variação no gasto de combustível, etc. Faça um passeio nesse post descobrindo a ação da Física quando o carro está acelerando, fazendo curvas, circulando, correndo, subindo, descendo e parando. Para ver mais sobre a mecânica e elétrica de carros, clique no link – para outros sistemas, consulte a tag automóveis.

A transcrição de uma viagem com Sheldon Cooper no carro poderia ser assim como esse post
A transcrição de uma viagem com Sheldon Cooper no carro poderia ser assim como esse post

A velocidade é a razão entre o espaço percorrido por unidade de tempo. Por exemplo, 60 km/h é a rapidez necessária para andar 60 quilômetros em uma hora. Para isso, o carro deve possuir um motor que transforma a energia química gerada pela combustão em energia mecânica por unidade de tempo, ou seja, a potência (geralmente dada em Watts, que é a unidade para Joules/segundo). O trabalho (também dado em Joules) é a medida da energia transferida pela aplicação de uma força ao longo de um deslocamento. Por sua vez, força (medida em Newtons) é qualquer agente externo que modifica o movimento de um corpo livre ou causa deformação num corpo fixo.

Acelerando

Muitas pessoas falam em aquecer o carro antes de conduzir, mas isso não só é desnecessário como causa gasto extra de combustível e chama atenção de ladrões. Os carros mais recentes (dos anos 2000 pra cá) estão equipados com sistemas que permitem entrar, ligar e sair com o carro sem precisar aquecer. Isso no caso de uma condução normal, bastando 30 segundos a 1 minuto de condução leve para usar maiores rpm (rotações por minuto) do motor (a Ferrari aconselha a que se aqueça o motor entre 10 a 15 minutos antes de o levar à velocidade máxima, que está em torno de 300 km/h).

O centro de gravidade é definido como o ponto de aplicação das forças que atuam sobre um corpo. Quanto mais baixo está localizado, maior aderência terá o veículo em relação ao solo, considerando-o em velocidade constante e movimento retilíneo. Ao acelerar, frear e fazer curvas, o centro de gravidade muda. Fazer a curva envolve aceleração também, mas na direção radial, ou seja, para o centro da trajetória circular – muitos a conhecem como aceleração ou força centrípeta. Isso acontece porque a lei da inércia diz que um corpo tende a permanecer em muvimento retilíneo uniforme, a não ser que uma força mude isso – lembrando que força é o produto da massa e da aceleração.

Quando se acelera, o centro de gravidade é transferido para a parte traseira do veículo: a parte da frente sobe e a de trás abaixa. Ao fazer uma curva, o veículo abaixa de um lado e sobe do lado oposto. Se o carro tem uma grande quantidade de energia cinética acumulada (ou seja, está correndo), o deslocamento do centro de gravidade para “fora” pode provocar a perda de aderência dos pneus com a pista. A aderência manifesta-se de duas formas: longitudinalmente (ao longo do movimento) e transversalmente (durante uma curva). Usando toda a aderência longitudinal ao parar bruscamente, perde-se a aderência transversal e o veículo não poderá virar mesmo no caso de haver uma curva. Se, pelo contrário, usar toda a aderência transversal, o veículo não poderá mover-se longitudinalmente na estrada, correndo o risco de sair da estrada.

Circulando

Quanto tempo um motorista pode ganhar (ou perder) se for devagar, na velocidade máxima e acima da permitida? Para isso, considere uma via sem veículo à frente que possam impedir o avanço do motorista. Por exemplo, em uma avenida de 10 km, com uma faixa completamente livre durante todo o percurso, veja quanto tempo demora para percorrê-la com diferentes velocidades:

V (km/h) tempo (min)
50 12:00
70 8:26
90 6:40
120 5:00

Pode-se considerar também que as velocidades acima são os valores médios do percurso, ou seja, em certos momentos foi maior (ultrapassagem de um carro) mas em outros foi menor (redução atrás de um carro mais devagar). Em uma via que costumam acontecer muitos acidentes, a interdição de pista, desvio e curiosos causam redução de velocidade pontual que pode se estender espacial e temporalmente, resultando em uma velocidade média menor. A redução da velocidade máxima da vida, caso consiga evitar esse tipo de interrupção no fluxo, pode aumentar a velocidade média da via calculada em um maior período de tempo. Além disso, os veículos trafegando com velocidade menor podem ficar mais próximos uns dos outros, pois a distância de segurança é menor.

Ainda falando de média, qual será a velocidade média de um automóvel no horário de pico em uma grande cidade? Segundo a CET, durante o pico da manhã (entre as 7h e as 10h), em 2013 foi de 21 km/h. Já durante o horário de pico da tarde, que vai das 17h às 20h, foi de 6,9 km/h. Contudo, nas vias de trânsito rápido, a velocidade média foi 52 km/h no horário de pico da manhã e 18 km/h a tarde, enquanto que nas vias arteriais, foram 26 km/h de manhã e 16 km/h a tarde. Para efeito de comparação, a velocidade média de uma bicicleta é de 15 km/h e de alguém andando é de 4km/h (a mesma de uma carroça).

A forma da carroceria vai influenciar no seu comportamento aerodinâmico durante o movimento. A perda de potência pode ser descrita matematicamente pela soma de três termos:

math formula

As constantes a e b dependem do atrito e c depende da resistência do ar. Note que, quanto maior a velocidade, mais importante é o termo da aerodinâmica do carro, sendo que, para baixas velocidades, o atrito com o solo e outras partes móveis predomina. Por isso que, em termos de economia de combustível, compensa mais andar com os vidros abertos na cidade (em velocidades abaixo de 70 km/h) e usar o ar condicionado na estrada, pois deixar o vidro aberto em altas velocidades aumenta o arrasto. O uso do ar-condicionado aumenta o consumo em cerca 10% – o mesmo que um carro gasta a mais se andar com vidros abertos a mais de 70 km/h. No entanto, em congestionamentos e grandes cidades, o ar poluídeo entrando direto pelas janelas, sem passar por um filtro como no caso do ar condicionado, toda a poluição entra no carro.

Correndo

A velocidade máxima leva em conta as características técnicas da via e as condições do tráfego, como o relevo, o volume de uso, se a pista é simples ou dupla, entre outros fatores. A velocidade operacional é a velocidade abaixo da qual circulam 85% dos motoristas quando condicionados apenas pelos elementos do ambiente da estrada, sem limites impostos. Em um estacionamento de um shopping, por exemplo, devido ao grande número de elementos condicionantes para redução de velocidade, os carros naturalmente andam mais devagar.

Em alguns trechos, pode ser necessário mudar o limite de velocidade, como em uma curva. A tendência de um automóvel é continuar andando em linha reta pela lei da inércia, a não ser que o atrito dos pneus com a pista o impeça e mantenha-o seguindo a curvatura da pista. A curva em uma estrada deve ter uma leve inclinação lateral com o centro posicionado mais baixo que a borda, para dar maior aderência dos pneus. Quanto maior a velocidade desenvolvida, maior deve ser essa inclinação. No entanto, nem todas as estradas foram construídas com essa preocupação. Assim, é comum haver redução de velocidade em curvas mais fechadas em muitas estradas.

Na falta de placas indicando, o Código Brasileiro de Trânsito estabelece os limites. A tolerância para velocidades medidas por radares é de 7km/h e vale para todos os tipos de via. Além da sinalização e da fiscalização, outra forma de forçar o motorista a reduzir a velocidade é a utilização de lombadas e outroas construções na via.

A lombada, também chamada de quebra-molas ou ondulação transversal, é uma rampa ascendente e descendente formada por asfalto ou concreto. Caso o veículo passe rápido demais, poderá danificar o sistema de suspensão (deformação dos pneus, diminuir vida útil do amortecedor, fraturas no chassi, desgaste nos apoios do motor, etc), forçando a redução de velocidade. As lombadas devem obedecer à resolução 39/98 do CONTRAN e podem ser do tipo 1 (8 cm de altura por 1,5m de largura) ou do tipo 2 (10 cm de altura por 3m de largura), ambos com o comprimento igual à largura da rua. O uso de cada um dos tipos depende da velocidade que pretende-se forçar o motorista a trafegar naquele trecho. Quanto mais alta (e menos larga), menor a velocidade que deve ter o automóvel ao passar pela lombada.

Existem também os sonorizadores, mais com função de alerta, nas quais os veículos podem passar numa velocidade superior (de 40 a 60 km/h). Também existe a faixa elevada para travessia de pedestres, com o topo achatado (na altura da calçada) e pelo menos 4 metros de largura.

Subindo

De modo geral, um veículo potente sobe ladeiras com velocidade maior do que os veículos de menor potência, assim como um veículo vazio sobe mais rápido que outro, igual e usando a mesma marcha, mas cheio de pessoas e bagagem. Ao subir uma ladeira, o carro aumenta sua energia potencial gravitacional ao aplicar a força do motor durante um deslocamento e, portanto, realiza um trabalho mecânico.

Decompondo as forças envolvidas em eixos perpendiculares entre si e considerando as componentes paralelas ao chão, a força para subir deve ser igual ao produto entre a massa, gravidade e o seno do ângulo de inclinação da subida. Note que, quanto maior o ângulo da subida ou a massa do automóvel, maior a força a ser aplicada, e portanto maior a potência exigida do carro. Para ganhar velocidade, também deve aumentar a potência.

A potência de um motor depende da quantidade de mistura que explode no interior do cilindro, estando assim relacionada à dimensão e quantidade de cilindros. O volume de combustível e ar que o pistão movimenta é chamado de cilindrada. Desse modo, quanto mais cilindradas, maior a potência, a princípio. Muitas vezes, o motor é identificado como 1.0 litro ou 2.0 litros, por exemplo. Os litros indicam a quantidade de cilindradas de um motor, sendo medida por volume cúbico. Sendo assim, 1.0 litro corresponde a 1.000 cilindradas, 1.4 a 1.400 cilindradas e assim por diante.

Nem toda a energia da queima de combustível é convertida em movimentando. Frações consideráveis desse gasto são perdidas em forma de calor, usadas para vencer o arrasto com o ar, ligar sistemas elétricos e o ar condicionado, este tendo um peso considerável em uma subida.

Descendo

Descer uma ladeira “na banguela” (ou seja, em ponto morto, sem marchas engatadas) é uma manobra não recomendada e que põe em risco os ocupantes do próprio veículo e dos outros à volta. Isso acontece porque, quando o carro está em ponto morto, a comunicação entre o motor e rodas é interrompida, ficando o motor sem controle sobre a tração do veículo. Descer com alguma marcha engatada também ajuda a “segurar o carro”, aliviando o esforço sobre o sistema de freios.

Parando

O sistema de freios dos carros tem a função de parar as rodas através do atrito de uma pastilha contra o disco, acionado por um conjunto de alavancas através de um fluido de freio. Nesse circuito hidráulico, ainda existe um sistema a vácuo que auxilia na frenagem, amplificando a força que o motorista aplica sobre o pedal do freio. Esse vácuo é obtido no motor, quando a pressão dentro dos cilindros é menor que a atmosférica durante o ciclo de funcionamento – como só funciona com o motor ligado, nota-se que o freio é mais difícil de ser acionado com o carro desligado.

Recomenda-se ao motorista manter uma certa distância segura do veículo à sua frente, a fim de evitar colisão caso tenha de parar ou de desviar. Quando acontece um fato que o motorista deva parar seu carro (automóvel parado à frente, algum animal na pista, uma alma penada que aparece, etc), o carro não pára no mesmo instante e no mesmo ponto. Existe uma demora para o ser humano perceber o perigo e tomar a ação, assim como o carro vai perder sua velocidade durante um certo período de tempo até parar.

Primeiro, existe o tempo do ser humano em receber um estímulo (geralmente visual) e ser processado pelo cérebro, o que envolve também enviar uma ação aos músculos para pisar n freio. Isso é chamado de tempo de reação e dura entre 0,2 e 0,7 segundos. Se o carro está a 120 km/h, durante 1 segundo ele já andou mais de 33 metros, ou seja, até o motorista ter a ação de pisar no freio já terá percorrido por volta de 15 metros. Esse tempo de reação pode ser ainda maior se o condutor está distraido, com sono, sob efeito de álcool ou mexendo no celular.

Segundo, ao sistema de freios ser acionado, o carro não para instantaneamente. Considerando que a máxima desaceleração que podemos suportar em um automóvel varia de 5 a 8 m/s2, no mesmo automóvel a 120 km/h, temos mais 170 metros percorridos. No total, o carro vai percorrer 185 metros entre acontecer o evento e a parada total do veículo. Se for um caminhão, com maior massa, fica ainda mais difícil parar. Como o veículo da frente também está em movimento e vai demorar um tempo para parar, essa distância pode ser reduzida para cerca de 100 metros em pista seca.

A desaceleração, no caso de travamento das rodas, depende do atrito cinético entre o pneu e o piso. Se a pista estiver molhada e/ou o pneu estiver “careca”, a distância de frenagem vai ser ainda maior. Os freios ABS (Anti-Lock Braking System) impedem o travamento completo das rodas através de um sensor, que identifica o momento que as rodas estão na iminência de parar. Desse modo, as rodas tendem a não deslizar, e sim rodar sobre o pavimento. O equipamento de controle aplica e solta os freios várias vezes seguidas, surgindo uma trepidação intensa nos pedais. As rodas diminuem a velocidade e o carro para.

Existe uma regra de direção defensiva para determinar a distância segura que devemos manter do veículo à nossa frente, chamada “regra dos dois segundos”. Primeiro, considere um ponto de referência (árvore, placa, etc) à frente de você e de um carro à frente. Quando o veículo da frente passar por aquele ponto, conte até dois segundos: se o seu veículo passar por esse mesmo ponto antes (em um intervalo menor do que dois segundos), significa que você está perto demais do veículo à sua frente.

Muitos falam que precisa deixar o carro engrenado (1ª marcha engatada) quando desligado, mesmo com o freio de mão puxado e em terreno plano. Eles argumentam que, caso o veículo leve algum empurrão e sair andando sozinho. No entanto, essa é uma prática inadequada que somente força o câmbio. Isso serve somente como algo provisório quando o freio de mão apresenta defeito. Desconsiderando a ação do freio de mão puxado, se alguém for parar um carro atrás de outro que está com o câmbio engatado e der um “empurrãozinho” com o veículo, a marcha engrenada pode estourar o câmbio do carro estacionado e ele vai andar do mesmo jeito.

“Você tem que visualizar um segundo ou dois à frente do seu carro sobre qual caminho você vai pegar, o que você vai fazer, antes de chegar lá, pois tudo acontece muito rápido.”
Emerson Fittipaldi

Fontes