Como um caminhão de 5.000 libras pode rebocar 10.000 libras?

Espere, isso não desafia a física? Não. Tim McCaig / iStockPhoto

Você já assistiu com espanto uma caminhonete rebocar uma enorme carga de tijolos? Se você pensasse: "Uau, isso desafia as leis da física!" você estaria errado.

Acredite ou não, as leis da física (ou mais especificamente, as leis do movimento) permitem que um caminhão de 5.000 libras (2.268 kg) reboque uma carga de 10.000 libras (4.536 kg). Faz parte da interação entre a energia exercida pelo motor do caminhão e as forças da gravidade. No entanto, isso não é pouca coisa; se você se lembra da Terceira Lei do Movimento de Newton, sabe que a partir do momento em que seu caminhão começa a se mover, existem forças que se opõem a ele a cada passo do caminho.

Se você entende a física da direção, entende a física do reboque. Na verdade, há uma maneira bastante simples de ver o processo.

Existem três estados em que o seu camião pode entrar quando se trata de conduzir e rebocar: repouso, aceleração e velocidade constante. Quando a transmissão do seu caminhão está estacionada e seu caminhão está imóvel, ele é considerado em repouso. O impulso gravitacional para baixo em direção ao centro da terra e o impulso para cima da terra (chamado força normal) se opõem para manter o caminhão parado. Seu caminhão ficará parado - afinal, um objeto em repouso tende a permanecer em repouso.

Mas você não quer descansar, você quer rebocar. Isso significa que você tem que superar essa tendência de descansar durante força aplicada. Felizmente para você, seu caminhão tem um motor que pode produzir energia, que atua como a força aplicada necessária para colocá-lo em movimento. Enquanto as forças opostas normal e gravitacional ainda permanecem, para acelerar você vai ter que lidar com as forças de atrito. Em vez de para cima e para baixo, essas forças existem paralelas ao solo e empurram na direção oposta à que você deseja mover. Você não pode pegar uma pausa em termos de física, você pode?

Com a gente até agora? Boa. Continue lendo para aprender mais sobre a física do reboque.

Aceitem, rapazes. É aqui que o torque é produzido. Hill Street Studios / Getty Images

Existem dois tipos de forças de atrito que estão trabalhando contra você enquanto você dirige seu caminhão. Fricção estática é o atrito que seus pneus encontrarão antes de atingirem o limiar de movimento. Assim que suas rodas começarem a se mover, o limiar do movimento foi ultrapassado e seus pneus agora devem lidar com atrito cinético -- ou no caso de uma roda, fricção de rolamento. Para acelerar, o atrito estático deve ser superado por meio da força aplicada, mas este não é o caso do atrito de rolamento. Em vez disso, o objetivo é acelerar até que a força aplicada seja igual à quantidade de atrito de rolamento aplicado aos pneus. Uma vez que a quantidade de força aplicada corresponda à quantidade de atrito de rolamento, você atingiu o ponto de velocidade constante. Você pode conhecê-lo como velocidade de cruzeiro - aquele ponto onde você não está acelerando ou diminuindo a velocidade, apenas viajando feliz.

Toda essa conversa de física não teria muito valor se não fosse pela maneira como seu carro usa a força aplicada do motor para impulsionar seu caminhão na estrada. Ele faz isso produzindo torque, que é a energia que gira uma roda em seu eixo. A força aplicada criada pelo seu motor é distribuída às rodas do seu caminhão por meio da transmissão, que gira o eixo de transmissão e distribui o torque às rodas.

O torque é diferente da energia necessária para mover algo ao longo de um plano horizontal. Pense assim: digamos que você tenha uma moeda de 25 centavos em sua borda que pretende rolar pelo corredor. Você pode empurrar a borda com o dedo em um movimento de cima para baixo para movê-lo para frente ou de baixo para cima para fazê-lo rolar para trás. Você acabou de aplicar torque. Agora tente mover o quarto para frente sem rolá-lo. Não funciona muito bem, não é? O quarto apenas desliza ao longo da superfície, o que o torna difícil de controlar - não é uma forma muito eficiente de se mover. Este é o desafio que se apresenta ao seu caminhão sempre que você dirige: avançar sem derrapar.

Parece bastante simples; você pressiona o pedal do acelerador e o motor distribui o torque ao eixo de transmissão que gira o eixo e, por sua vez, as rodas. Mas se o motor produzir muito torque, seus pneus irão superar o atrito de rolamento que encontram na estrada e derraparão inutilmente (e possivelmente perigosamente). O que você quer é que o seu pneu nunca saia da estrada.

Parece um pouco estranho, mas quando seu caminhão está dirigindo corretamente, a parte inferior do pneu - literalmente onde a borracha encontra a estrada - permanece em repouso. O que constitui a parte inferior dos pneus muda, uma vez que todos os pontos da banda de rodagem têm a oportunidade de servir como a parte inferior do pneu quando ele completa uma rotação. O mesmo acontece com a localização da parte inferior do pneu em relação à estrada. Mas, no que diz respeito à gravidade e à força normal, a parte inferior do pneu está em repouso, pois nunca sai da estrada.

Então, o que diabos tudo isso tem a ver com reboque? Abundância. Você verá o que queremos dizer na próxima página.

Desde que o peso esteja distribuído igualmente, este caminhão deve ser capaz de rebocar mais do que o dobro de seu próprio peso. Alexander Hafemann / iStockPhoto

-Tudo o que você acabou de aprender sobre como a física mantém seu caminhão em movimento suave pode ser extrapolado para o reboque.

Se você tem tração nas quatro rodas, todos os quatro pneus são conectados aos eixos de tração e, portanto, recebem torque para movê-los. Se você tiver apenas tração traseira ou dianteira, não se preocupe: o torque distribuído às rodas motrizes fará com que as rodas que estão junto para o passeio também se movam. Como estão conectadas ao caminhão, essas rodas se moverão quando as rodas motrizes começarem. O peso deve ser distribuído uniformemente pelo caminhão, o que significa que cada roda - conectada a um eixo de transmissão ou não - enfrenta um desafio igual.

Como os pneus estão onde a borracha encontra a estrada - ou, mais especificamente, onde a força da gravidade pressionando para baixo em seu caminhão encontra a força normal empurrando para cima contra ele - é aqui que o peso é distribuído. Se o peso for distribuído uniformemente, a força normal que ele encontra será distribuída igualmente, já que a força normal é proporcional à massa do caminhão. Isso significa que a força normal que cada pneu encontra é cerca de um quarto da massa do caminhão. Essa distribuição igual de força leva a uma quantidade igual de força estática e depois cinética que cada pneu encontra à medida que se move de sua posição de repouso para a aceleração e, finalmente, para a velocidade constante. Portanto, o torque suficiente para mover uma roda moverá todas elas. Se o peso do seu caminhão não for distribuído igualmente, os pneus que suportam menos peso irão derrapar ou deslizar conforme o torque que recebem supera em vez de igualar o atrito de rolamento que encontra na estrada.

Isso vale tanto para os quatro pneus do caminhão quanto para dois ou quatro pneus a mais que você adicionará ao rebocar um trailer. Isso porque, no que diz respeito às leis da física, quando seu trailer está conectado ao seu caminhão, ele é considerado uma unidade única. A massa do caminhão e a massa do trailer compartilham uma massa combinada. Isso significa que a distribuição de peso continua importante. Se for distribuído corretamente, os pneus - sejam quatro, seis, oito ou 50 - enfrentarão a mesma quantidade de atrito ao cruzar a soleira e acelerar.

Então, como pode um caminhão de 5.000 libras rebocar uma carga de 10.000 libras? A resposta curta é que não pode, a menos que tenha o tipo certo de engate. Se você consultar o manual do proprietário do seu caminhão, verá que ele tem duas capacidades de reboque - uma para peso morto e outra para peso rebocado. Você também notará que o limite de peso morto é aproximadamente o mesmo peso do seu caminhão, enquanto a capacidade de peso rebocado é quase três vezes maior. A razão é que as capacidades de peso rebocado requerem um engate especial que - você adivinhou - distribui o peso do reboque entre as rodas do reboque e do caminhão.

-O peso adicional do trailer exige que o motor do veículo técnico trabalhe mais para produzir mais torque do que o necessário quando o ônibus está viajando sem restrições. Porém, se o peso for distribuído de maneira adequada tanto no trailer quanto no ônibus, o atrito estático para cada pneu será igual. Portanto, seja um caminhão pesando 2.000 libras se movendo na estrada ou um que reboca uma carga de 10.000 libras, desde que o motor possa produzir torque suficiente para girar as rodas motrizes sem superar o atrito de rolamento na estrada, todas as outras rodas Segue.

Para obter mais informações sobre reboque e outros tópicos relacionados, visite a próxima página.

Obrigado

Agradecimentos especiais ao Dr. William Skocpol e Craig Freudenrich, Ph.D. pela ajuda com este artigo!

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Mais ótimos links

• Terminologia e dicas de segurança para reboque
• Física da Universidade de Boston
• Definições e classificações de peso de reboque

Fontes

• Skocpol, William, PhD. Professor de Física, Boston University. Correspondência pessoal. 31 de outubro de 2008.
• Townsend, Ben. "Atrito estático e cinético." Universidade do Alasca, Fairbanks. Outono de 2002. http://ffden-2.phys.uaf.edu/211_fall2002.web.dir/Ben_Townsend/StaticandKineticFriction.htm