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Dinâmica Veicular: Fenômenos do pneu e força lateral


O pneu é o principal componente de um veículo que interage com a estrada. O desempenho de um veículo é influenciado principalmente pelas características de seus pneus. Os pneus afetam o manuseio, a tração, o conforto de direção e o consumo de combustível de um veículo. Para entender sua importância, basta lembrar que um veículo pode manobrar apenas por sistemas de força longitudinal, vertical e lateral gerados sob os pneus.


Tipos de Pneus


Pneu Radial: Com uma construção radial, os cabos de lona se irradiam em ângulos de 90 graus em relação à linha central da banda de rodagem. Além disso, a coroa é feita de camadas que formam um cinto. Como resultado, a coroa e as paredes laterais têm suas próprias características particulares.

 

Pneu Diagonal: A carcaça de um pneu polarizado é feita de camadas de corda de lona que se estendem diagonalmente até a linha central da banda de rodagem. As camadas são colocadas de forma que os cordões criem um padrão cruzado. Toda a estrutura é totalmente uniforme; a coroa e as paredes laterais do pneu têm propriedades mecânicas semelhantes.

Devido às suas paredes laterais macias, as coroas dos pneus radiais aderem à estrada ao contato. Sua pegada, mais curta, mas mais larga do que a de um pneu diagonal, fornece maior aderência ao inclinar-se fortemente nas curvas. A pressão do ar em contato com a superfície do pneu é distribuída de maneira mais eficaz com os pneus radiais, o que resulta em um desgaste mais uniforme da banda de rodagem com o tempo.

Os pneus radiais também proporcionam maior conforto em velocidades mais altas, mais uma vez por conta de suas paredes laterais macias, que absorvem o impacto das imperfeições da superfície da estrada. Por outro lado, os pneus diagonais são capazes de suportar um peso maior porque suas paredes laterais são mais rígidas. Em altas velocidades, os pneus inclinados podem ficar tão deformados que seu desempenho é afetado. Em análise, os pneus polarizados são adequados para veículos que viajam em velocidades moderadas, com motores de pequeno a médio porte e chassis flexíveis. Eles também são adequados para motocicletas pesadas ou com cargas pesadas. Os pneus radiais são necessários para veículos mais potentes com chassis muito rígidos e para fins mais esportivos. (Fig1)





Estrutura do pneu

A tecnologia de pneus moderna combina uma mistura única de química, física e engenharia para oferecer aos consumidores um alto grau de conforto, desempenho, eficiência, confiabilidade e segurança. Muitos pneus são projetados para atender às tensões e às necessidades de desempenho especificadas pelo fabricante de um determinado modelo de veículo.

Hoje a maior parte dos pneus é constituída de 10% de borracha natural, 30% de petróleo e 60% de aço e tecidos tipo lona com objetivo de aumentar a resistência da estrutura.

Carcaça: É a estrutura do pneu, deve ser construído para resistir a alta pressão, peso e batidas.

Talão: Feito de arames de aço de alta resistência, com a finalidade de manter o pneu preso a estrutura da roda.

Parede lateral: Produzido com alto grau de flexibilidade e alta resistência a fadiga.

Banda de Rodagem: Região do pneu que entra em contato direto com o solo, seu design possui partes conhecida como biscoito e sulcos, e sua função é oferecer aderência, tração e estabilidade.  (Fig2)






Ranhuras do pneu e atrito


Creio que já tenha observado, os pneus possuem ranhuras, existem diversas formas de design e cada uma tem um estudo especifico. Essas ranhuras permitem uma aderência maior   do pneu com o solo, ao dirigir em estradas molhadas em alta velocidade, uma camada de água pode se acumular entre o pneu e a superfície da estrada, e por esse motivo os sulcos fazem com que essa camada de água escoe do pneu. Sem os sulcos o pneu perde mais ainda o contato com a estrada e o veículo não responde mais à direção, perdendo a frente. Esse fenômeno é conhecido como aquaplanagem. (Fig

3)





O pneu Liso por não ter ranhuras tem mais contato com o solo tendo mais aderência, podemos observar no gráfico Fig 4 ponto 1 que seu coeficiente de aderência é alto quando se tratando de pista seca, mas quando a pista estiver molhada o coeficiente de aderência diminui drasticamente conforme ponto 5 podendo ocorrer grande riscos de acidentes.

O pneu novo com ranhuras de 8 mm em pista seca tem um bom coeficiente de aderência  ponto 2 e diminui um pouco conforme a velocidade aumenta, quando a pista está molhada o pneu ainda tem um bom coeficiente de aderência em baixa velocidade mas cai linearmente conforme a velocidade aumenta ponto 3, por isso o cuidado em dias chuvosos com a velocidade do veículo.

O pneu com a ranhura de 2 mm em dias chuvosos tem um coeficiente de aderência perto do pneu com 8 mm de ranhuras em baixas velocidades, mas cai exponencialmente conforme a velocidade aumenta, ponto 4. (Fig4)






Aderência

 

Quanto mais peso houver no pneu, mais ele será empurrado para o solo e mais aderência terá. Agora, isso não significa que você carregue seu carro com sacos de cimento. O carro ainda terá que acelerar, desacelerar e virar. O peso adicionado é uma desvantagem aqui. Não tema, pois as artes sombrias da aerodinâmica vêm em seu socorro. Você obviamente já viu carros com asas e spoilers no porta-malas. Elas funcionam como asas de avião, apenas de cabeça para baixo. Portanto, em vez de criar sustentação, eles criam força descendente e empurram o carro contra o solo. Quanto mais rápido você vai, mais downforce ele gera e mais aderência você tem. (Fig5)





Podemos observar no gráfico que a pista de concreto seco é a que tem melhor aderência do pneu ao solo, formato de pista muito utilizado nos EUA. Logo a pista de asfalto seco tem sua aderência bem próxima da pista de concreto seco, e quando molhada sua aderência diminui, também temos o coeficiente das pistas com neve e gelo, com baixo índice de aderência, pneus especiais devem ser utilizados nessas ocasiões. (Fig6)






No gráfico podemos observar como o coeficiente de aderência se comporta no inicio da chuva, com a pista seca temos uma aderência em torno de 0,8 e nos primeiros minutos de chuva a aderência cai abaixo de 0,4 por alguns minutos e sobe para 0,6 aumentado um pouco mais a aderência conforme o tempo de chuva aumenta. Esse fenômeno ocorre devido ao trafego normal do dia a dia do trânsito deixar a pista oleosa e quando a chuva inicia seus primeiros minutos são de pista mais escorregadia, é bem comum ver acidentes de trânsito no início de chuvas. (Fig7)





Deriva: Deformação do pneu por forças laterais

 

Quando o motorista gira o volante, o carro começa a traçar uma curva. Logo após isso acontecer, a inércia do carro gera uma força centrífuga ou força inercial que empurra o carro para fora da curva. Esta força (que não é uma força real, mas sim uma força aparente visto que surge apenas devido aos efeitos inerciais) também é transmitida aos pneus, provocando uma deflexão lateral dos mesmos. (Fig8)





A deformação do pneu é gerada pela força contraria ao movimento durante a curva, quanto mais força lateral F o condutor consegue gerar no pneu, mais se consegue manter o carro sobre controle na pista. Na figura ilustração de um pneu em deformação em curva vemos o valor de “t” conhecido como braço de alavanca, abaixo do ponto central da figura, esse braço de alavanca gera um momento no pneu no sentido horário. Quanto maior a força aplicada no pneu mais aderência ele vai ter para se manter no solo. (Fig9)





Para entendermos melhor isso, vamos explicar em cima do gráfico Figura 10, podemos observar que um condutor normal quando está fazendo uma curva ele consegue um ângulo de deriva de 5º aplicando uma força F de aproximadamente 150 Newtons, e um piloto profissional consegue aplicar um ângulo maior de 12º aplicando uma força F de 300 Newtons, logo um piloto profissional consegue manter um carro na curva com estabilidade muito mais seguro que um condutor comum. (Fig10)









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