Por que os pneus de algumas bicicletas operam com pressão tão alta?
1 de março, 2012 às 19:19 | Postado em Atrito, Dinâmica da rotação, Mecânica
Respondido por: Prof. Fernando Lang da Silveira - www.if.ufrgs.br/~lang/Prof. Fernando
Estou interessado em entender melhor a pressão nos pneus. Você não tem algum artigo que compare pressões em pneus de bicicletas com a pressão em pneus de automóveis?
Como posso entender a pressão tão alta nos pneus de bicicletas?
Quanto mais fino, estreito, o pneu, maior deve ser a pressão para que o pneu não se achate demasiadamente. Isto se aplica também aos pneus de carro.
Adicionalmente, pressão elevada nos pneus, diminui a região deformada em contato com a pista de rolamento. Quanto menor é a região deformada (mantido todo o resto constante), menor será a RESISTÊNCIA AO ROLAMENTO (nas rodas de bicicletas de corrida deseja-se a menor resistência ao rolamento possível). A resistência ao rolamento não pode ser confundida com a força de atrito entre o pneu e a pista!
A força de atrito efetiva entre o pneu e a estrada (que é uma força de atrito estático: lembra que a força de atrito estático é, em módulo, menor, ou no máximo igual, ao produto do coeficiente de atrito estático pela intensidade da força normal) pode(!!) ser muito pequena então (não porque ela dependa da área de contato!), mas porque a força normal à pista de rolamento exercida na roda produz um pequeno torque que resiste ao rolamento (com grandes deformações, esse torque resistente ao rolamento, é maior). OU SEJA, ALTA PRESSÃO, IMPLICA EM PEQUENAS DEFORMAÇÕES NO PNEU E CONSEQUENTEMENTE, REDUZ A RESISTÊNCIA AO ROLAMENTO.
A roda ideal é aquela que não resiste ao rolamento, entretanto permite grandes forças de atrito (borracha com asfalto tem coeficiente de atrito estático grande) pois o atrito pode ser usado na roda como força de tração (nas rodas de tração) ou como força resistente (quando freamos o carro ou a bicicleta) e ainda para fazer curvas. PORTANTO, NÃO SE DESEJA ELIMINAR ATRITO EM RODAS MAS SIM ELIMINAR RESISTÊNCIA AO ROLAMENTO.
Infelizmente os textos de física geral não tratam do rolamento “real”. Tratam apenas do rolamento “ideal” com atrito mas sem deformações na roda ou na pista. O rolamento “ideal” sequer prevê a parada de um corpo que rola conforme discuto em: Modelo usual para o rolamento sem deslizamento não explica a parada do corpo que rola.
Se queres estudar o rolamento “real”, terás que recorrer à literatura técnica, da área da engenharia ou, eventualmente, um artigo meu que trata do tema nas seções 2 e 3, no seguinte endereço: A potência de tração de um veículo que se movimenta com velocidade constante.
A figura 1 apresenta o diagrama das forças exercidas na roda da frente de uma bicicleta que trafega com velocidade constante. Nota que em relação ao eixo da roda, o torque da força normal (torque resistente à rotação da roda!), dado por N.d, deve equilibrar o torque da força de atrito (torque motor para a rotação da roda!), dado por Fe.R. Ou seja, N.d = Fe .R.
Assim sendo, Fe = (d/R).N, onde d/R é o chamado “coeficiente de resistência ao rolamento”. Este coeficiente é usualmente muito menor do que o coeficiente de atrito estático entre a roda e a pista, tendendo para zero quando ‘d’ tende para zero (roda indeformável). Ou seja, uma roda indeformável (sobre uma pista indeformável) não resiste ao rolamento. Ora, para reduzir ‘d’ temos de reduzir a região deformada e isto é conseguido em um pneu de alta pressão. Bicicletas de corrida operam com pressões manométricas de mais de 100 libras/pol2 (mais de 6 atm), quando a pressão num pneu comum não passa de 2 atm.
Uma pergunta interessante é por que a normal se desloca para a frente? A resposta está relacionada ao fato de que as deformações do pneu são elásticas mas têm uma componente dissipativa. Nota que a resistência ao rolamento determina que haja perda de energia mecânica internamente ao pneu, causando seu aquecimento.
Outra discussão interessante (que eu deixo para pensares!), é sobre a roda de tração da bicicleta pois ali a força de atrito é motora para o movimento da bicicleta mas o seu torque é resistente (juntamente com o torque da normal) para rotação da roda em torno do eixo traseiro. Dá uma olhada no artigo de minha autoria, A potência de tração de um veículo que se movimenta com velocidade constante, para uma discussão mais completa.
Mais sobre o tema em nosso artigo, em coautoria com o Prof. Rafhael Werlang, A Física dos Pneumáticos.
Sobre a distribuição da força normal na região de contato: Distribuição da força normal na região de contato .
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