Como funcionam os freios

  • Phillip Hopkins
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O layout de um sistema de freio típico. Veja mais fotos de freios.

Todos nós sabemos que pisar no pedal do freio diminui a velocidade de um carro até parar. Mas como isso acontece? Como seu carro transmite a força de sua perna para as rodas? Como ele multiplica a força de modo que seja suficiente para parar algo tão grande quanto um carro?

Quando você pressiona o pedal do freio, o carro transmite a força do pé para os freios por meio de um fluido. Como os freios reais exigem uma força muito maior do que você poderia aplicar com a perna, seu carro também deve multiplicar a força de seu pé. Ele faz isso de duas maneiras:

  • Vantagem mecânica (alavancagem)
  • Multiplicação de força hidráulica

-Os freios transmitem a força aos pneus usando atrito, e os pneus transmitem essa força para a estrada usando também o atrito. Antes de começar nossa discussão sobre os componentes do sistema de freio, vamos cobrir estes três princípios:

  • Leverage
  • Hidráulica
  • Atrito

Discutiremos alavancagem e hidráulica na próxima seção.

Conteúdo
  1. Alavancagem e hidráulica
  2. Atrito
  3. Um sistema de freio simples
O pedal é projetado de tal forma que pode multiplicar a força de sua perna várias vezes antes mesmo de qualquer força ser transmitida ao fluido de freio.

-Na figura abaixo, uma força F está sendo aplicada na extremidade esquerda da alavanca. A extremidade esquerda da alavanca é duas vezes mais longa (2X) que a extremidade direita (X). Portanto, na extremidade direita da alavanca está disponível uma força de 2F, mas ela atua na metade da distância (Y) que a extremidade esquerda se move (2Y). Alterar os comprimentos relativos das extremidades esquerda e direita da alavanca muda os multiplicadores.

A ideia básica por trás de qualquer sistema hidráulico é muito simples: a força aplicada em um ponto é transmitida para outro ponto usando um fluido incompressível, quase sempre um óleo de algum tipo. A maioria dos sistemas de freio também multiplica a força no processo. Aqui você pode ver o sistema hidráulico mais simples possível:

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Sistema hidráulico simples

Na figura acima, dois pistões (mostrados em vermelho) são encaixados em dois cilindros de vidro cheios de óleo (mostrados em azul claro) e conectados um ao outro por um tubo cheio de óleo. Se você aplicar uma força para baixo em um pistão (o esquerdo, neste desenho), a força é transmitida para o segundo pistão através do óleo no tubo. Como o óleo é incompressível, a eficiência é muito boa - quase toda a força aplicada aparece no segundo pistão. A grande vantagem dos sistemas hidráulicos é que o tubo que conecta os dois cilindros pode ter qualquer comprimento e formato, permitindo que ele serpenteie por todos os tipos de coisas que separam os dois pistões. O tubo também pode se bifurcar, de modo que um cilindro mestre pode acionar mais de um cilindro escravo, se desejado, conforme mostrado aqui:

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Cilindro mestre com dois escravos

A outra coisa interessante sobre um sistema hidráulico é que ele torna a multiplicação (ou divisão) de força bastante fácil. Se você leu Como funciona um bloqueio e travamento ou Como funcionam as relações de marcha, sabe que a troca de força por distância é muito comum em sistemas mecânicos. Em um sistema hidráulico, tudo o que você precisa fazer é alterar o tamanho de um pistão e cilindro em relação ao outro, conforme mostrado aqui:

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Multiplicação hidráulica

Para determinar o fator de multiplicação na figura acima, comece observando o tamanho dos pistões. Suponha que o pistão à esquerda tenha 2 polegadas (5,08 cm) de diâmetro (1 polegada / 2,54 cm de raio), enquanto o pistão à direita tem 6 polegadas (15,24 cm) de diâmetro (3 polegadas / 7,62 cm de raio) . A área dos dois pistões é Pi * r2. A área do pistão esquerdo é, portanto, 3,14, enquanto a área do pistão à direita é 28,26. O pistão da direita é nove vezes maior que o pistão da esquerda. Isso significa que qualquer força aplicada ao pistão esquerdo será nove vezes maior no pistão direito. Portanto, se você aplicar uma força para baixo de 100 libras no pistão esquerdo, uma força para cima de 900 libras aparecerá à direita. O único problema é que você terá que pressionar o pistão esquerdo 9 polegadas (22,86 cm) para elevar o pistão direito 1 polegada (2,54 cm).

A seguir, veremos o papel que o atrito desempenha nos sistemas de freio.

Força de fricção versus peso

-O atrito é uma medida de quão difícil é deslizar um objeto sobre o outro. Dê uma olhada na figura abaixo. Ambos os blocos são feitos do mesmo material, mas um é mais pesado. Acho que todos nós sabemos qual será mais difícil para a escavadeira empurrar.

Para entender por que isso ocorre, vamos dar uma olhada em um dos blocos e na tabela:

Como o atrito existe no nível microscópico, a quantidade de força necessária para mover um determinado bloco é proporcional ao peso desse bloco.

Mesmo que os blocos pareçam lisos a olho nu, eles são bastante ásperos no nível microscópico. Quando você coloca o bloco na mesa, os pequenos picos e vales se comprimem, e alguns deles podem realmente se fundir. O peso do bloco mais pesado faz com que ele se aperte mais, então é ainda mais difícil de deslizar.

Diferentes materiais têm diferentes estruturas microscópicas; por exemplo, é mais difícil deslizar borracha contra borracha do que aço contra aço. O tipo de material determina o coeficiente de fricção, a relação entre a força necessária para deslizar o bloco e o peso do bloco. Se o coeficiente fosse 1,0 em nosso exemplo, seriam necessários 100 libras de força para deslizar o bloco de 100 libras (45 kg) ou 400 libras (180 kg) de força para deslizar o bloco de 400 libras. Se o coeficiente fosse 0,1, seriam necessários 10 libras de força para deslizar para o bloco de 100 libras ou 40 libras de força para deslizar o bloco de 400 libras.

Portanto, a quantidade de força necessária para mover um determinado bloco é proporcional ao peso desse bloco. Quanto mais peso, mais força é necessária. Esse conceito se aplica a dispositivos como freios e embreagens, onde uma almofada é pressionada contra um disco giratório. Quanto mais força pressiona a almofada, maior será a força de parada.

Coeficientes

-Uma coisa interessante sobre o atrito é que geralmente é preciso mais força para quebrar um objeto solto do que mantê-lo deslizando. Existe um coeficiente de atrito estático, onde as duas superfícies em contato não estão deslizando em relação uma à outra. Se as duas superfícies estão deslizando uma em relação à outra, a quantidade de força é determinada pela coeficiente de atrito dinâmico, que geralmente é menor que o coeficiente de atrito estático.

Para um pneu de carro, o coeficiente de atrito dinâmico é muito menor do que o coeficiente de atrito estático. O pneu do carro oferece maior tração quando a área de contato não está deslizando em relação à estrada. Quando está deslizando (como durante uma derrapagem ou queima), a tração é bastante reduzida.

Antes de entrarmos em todas as partes de um sistema de freio de carro real, vejamos um sistema simplificado:

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Você pode ver que a distância do pedal ao pivô é quatro vezes a distância do cilindro ao pivô, então a força no pedal será aumentada por um fator de quatro antes de ser transmitida ao cilindro.

Você também pode ver que o diâmetro do cilindro do freio é três vezes o diâmetro do cilindro do pedal. Isso multiplica ainda mais a força por nove. Ao todo, este sistema aumenta a força do seu pé por um fator de 36. Se você colocar 10 libras de força no pedal, 360 libras (162 kg) serão geradas na roda que aperta as pastilhas de freio.

Existem alguns problemas com este sistema simples. E se tivermos um vazamento? Se for um vazamento lento, eventualmente não haverá fluido suficiente para encher o cilindro do freio e os freios não funcionarão. Se for um vazamento grave, na primeira vez que você aplicar os freios, todo o fluido esguichará o vazamento e você terá uma falha completa do freio.

O cilindro mestre dos carros modernos é projetado para lidar com essas falhas potenciais. Certifique-se de verificar o artigo sobre como funcionam os cilindros mestres e as válvulas de combinação e o restante dos artigos da série de freios (consulte os links na próxima página) para saber mais.

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