A largura dos pneus de Fórmula 1
26 de fevereiro, 2015 às 16:20 | Postado em Atrito, Mecânica
Respondido por: Prof. Fernando Lang da Silveira - www.if.ufrgs.br/~lang/Olá professor Lang, estive vendo um artigo seu aqui no CREF, sobre pneus de bicicleta – Por que os pneus de algumas bicicletas operam com pressão tão alta? – e sobre como a força de atrito independe da area aparente do pneu – Por que o atrito não depende da área de contato do corpo? . Me surgiu a seguinte dúvida, porque na formula 1, tem-se usado cada vez mais pneus mais largos? Obrigada
A tua dúvida é tão usual que tratamos (Prof. Rafhael Werlang e eu) dela em nosso artigo publicado no Caderno Brasileiro de Ensino de Física, intitulado A Física dos pneumáticos.
Transcreverei a seguir o que está escrito na página 622:
Uma concepção equivocada sobre a largura dos pneus, parte do pressuposto de que a intensidade da força de atrito estática máxima depende fortemente da área das superfícies que se atritam. Ao testar experimentalmente a suposta dependência da intensidade da força de atrito com área de contato, muito antes de existirem os pneus, Leonardo da Vinci (1452-1519) inferiu não ser verdadeira tal suposição intuitiva, concluindo pela independência da área, mantido todo o resto constante, isto é, mantidas as naturezas de ambas as superfícies e a força de compressão entre elas, ou seja, a força normal. Dessa forma, a maior largura dos pneus dos carros de corrida não está a serviço de um ganho substancial (como o senso comum imagina) nas forças de atrito.
Então, qual é o real motivo dos pneumáticos dos carros de Fórmula 1 serem mais largos do que os comumente usados em automóveis? A razão primordial está relacionada ao grande desgaste que os pneus sofrem em uma corrida. Tal desgaste da banda de rodagem depende da pressão (força por unidade de área) exercida na região de contato. Ora, um pneu mais largo, além de estar sujeito a uma pressão menor do que um pneu estreito, também possui mais borracha para ser desgastada, permitindo assim que as trocas de pneus durante as corridas sejam menos frequentes.
Adicionalmente a aplicação de um torque enorme nas rodas de tração determina um esforço de cisalhamento na região de contato com a pista. A densidade de força por unidade de comprimento (força de atrito na banda de rodagem dividida pela largura do pneu) cresce quando diminui a largura. Isto pode levar ao rompimento da borracha, ao esfarelamento da banda de rodagem, quando a largura do pneu é reduzida e se opera com forças de atrito próximas às máximas possíveis. Quanto maior a largura, menor é a densidade de força, permitindo que a banda de rodagem não rompa facilmente, não se esfarele.
Outras questões do CREF sobre o tema: Atrito
“Docendo discimus.” (Sêneca)
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Prof. Emmanuel Favre-Nicolin – Um outro aspecto importante é talvez a questão do aquecimento do pneu. Com uma largura maior a parte da potência transformada em energia térmica do pneu ocorre numa área maior. Essa dedução não totalmente direta pois, se for considerar uma mesma pressão, a área de contata é a mesma, independente da largura do pneu (ver abaixo a discussão sobre a pressão)… No entanto, se a gente considere uma volta inteira, é fácil entender que a energia térmica será absorvida numa quantidade maior de material, pois a largura deformada é maior.
Um outro ponto que talvez tem sua importância, é o fato dos pneus mais largos ter uma resistência ao rolamento menor do pneu mais finos quando estes tem a mesma pressão. Porém os pneus mais finos suportam pressões maiores. Enfim não sou muito conhecedor dessa questão, espero não ter falado muita besteira, mas tem uma tendência nos ciclistas profissionais a voltar a usar pneu mais largos, por exemplo. Chegaram a usar pneu de 18 mm de largura e parece que a tendência é usar agora até 25 mm de largura.
Fernando Lang da Silveira – O aspecto sobre a resistência ao rolamento, sua redução com o aumento da largura (mantido todo o resto constante), deve ser muito importante no caso do ciclismo. A resistência ao rolamento é discutida por exemplo em Por que os pneus de algumas bicicletas operam com pressão tão alta? E também em “Potência de tração de um veículo automotor que se movimenta com velocidade constante.
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Caro Professor, bom dia:
A literatura especializada na engenharia de pneus afirma que existem dois mecanismos de geração de forças na interação entre pneu e solo. Um deles, refere-se à histerese do pneu, que – de forma simples e resumida – consiste em sua capacidade de deformar-se de forma a penetrar nas irregularidades da pistam, promovendo um “agarramento” da borracha ao asfalto. Esse seria um processo mecânico, por assim dizer. O outro mecanismo, seria a adesão do pneu ao pavimento que , por sua vez, aconteceria por um processo químico, que alguns materiais citam com sendo um efeito da adesão eletroestática e da adsorção. Sobre esse processo de adesão química, algumas fontes afirmam que a área de contato influencia na capacidade do pneu em gerar forças resistivas.
Esse comentário, como percebe-se, não vem no sentido de contrariar o que foi atestado acima, mas apenas de estender um pouco mais a discussão. Parabéns pelo trabalho realizado aqui nesse espaço, Professor.
Fonte:
https://www.brachengineering.com/content/publications/Wheel-Slip-Model-2006-Brach-Engineering.pdf
Este texto dá uma contribuição importante pois “adesão” é uma palavra que usualmente não se sabe o significado.
Olá,
Fui piloto profissional por alguns anos. Quando pilotamos carros com pneus para chuva (“ranhurados”), em pavimento seco, o nível de performance (no meio automobilístico usamos o termo “aderência”, não sei se é o termo técnico/acadêmico mais correto) do carro é muito inferior ao conseguido com pneus slick (maior área de contato) na mesma situação. Esta percepção vai contra a afirmação de que nível de atrito independe da área de contato, porém o comentário do Mario provavelmente explica o porquê de na prática quanto maior for a área de contato maior é a performance do pneu. Existe alguma outra explicação para esta percepção? Obrigado.
Talvez exista uma diferença no material dos dois tipos de pneu. Será que a borracha usada era a mesma?
@Fernando Lang
Sim, os compostos eram muito similares, diferenças deveriam estar na ordem de variação inerente à própria linha de produção do pneu, não havendo variação proposital no composto para os dois tipos de pavimento. No entanto, este não é o único exemplo que posso citar. Outro exemplo que fica bem claro, é o aumento da largura dos pneus de Formula 1 que ocorreu a partir da temporada de 2017. Até a temporada de 2016 os pneus eram mais estreitos, e segundo os técnicos envolvidos na alteração, ela ocorreu para aumentar a performance mecânica dos carros da categoria. Outro exemplo que, neste caso vivenciado por mim, é que também já fiz testes com pneus de mesma composição, porém com larguras diferentes, e realmente os pneus mais largos “geram mais aderência”. Seria isso consequência de algum outro fenômeno que não é explicado, mencionado ou observado aqui?
Dizem (não lembro onde vi) que a força de atrito depende sim da área de contato, mas a área efetiva, isto é, da parte que realmente entra em contato com a pista. Talvez, não de maneira linear, isto é, dobrar a área efetiva não produz necessariamente o dobro da força. Outros fatores que ao meu ver, parecem bem óbvios é que, sim, materiais diferentes produzem resistência de contato diferentes, aí deveríamos ter um coeficiente que leve a interação objeto-pista, não somente pista. Ainda outro ponto, que também me parece intuitivo é a velocidade, pois, da mesma maneira que um arrasto de fluido depende da velocidade, não me parece injusto levar a velocidade em consideração, embora, possa ter uma contribuição extretamente baixa, ao que parece nos experimentos. Enfim, acredito que seria necessário elaborar uma teoria microscópica da força de atrito para sólidos, assim como existe para fluidos para termos um norte mais bem definido nas causas relevantes para o problema.
Bo tarde! Esse assunto é realmente muito contra intuitivo. Acredito que a dificuldade de abstração esteja ligada principalmente com a análise de um modelo bidimensional muito idealizado. Faço um adendo para um olhar em relação à dinâmica lateral. Há de se considerar que quando um veículo realiza uma curva o movimento relativo da roda para com a pista não é o de rolamento puro. Outra consideração pertinente é de que o pavimento geralmente é irregular (possui saliências, ondulações), não homogêneo em sua rugosidade e pode estar coberto de poeira, cascalho, óleo, etc. Considere um pneu muito fino que enfrente um obstáculo como um buraco. Se ele “couber” no buraco, então irá perder momentaneamente o contato até que todo o sistema de suspensão trabalhe. Há de se pensar também que os pneus deslizam frequentemente, assim sendo, achei muito pertinente a observação do Prof. Fernando sobre o desgaste. Tudo isso somado certamente deve-se traduzir na percepção de uma veículo mais estável quando este está equipado com um pneu largo. Ademais, a compreensão física desse assunto deve estar longe de ser esgotada, como por exemplo o efeito da temperatura e outras questões que do meu ponto de vista teriam que ser estudadas experimentalmente com muito afinco para se deduzir alguma coisa (sou da turma do ver para crer).