Como funcionam os freios

Autor: 
Karim Nice

Todos nós sabemos que pressionar o pedal de freio faz com que um carro reduza progressivamente a velocidade. Mas como isso acontece? Como o carro transmite a força do seu pé para as rodas do veículo? Como multiplica a força de modo que seja suficiente para parar algo tão grande quanto um carro?

Neste artigo, o primeiro de um­a série de seis sobre freios, seguiremos a corrente de eventos que se sucedem do pedal até a roda, explicando todas as partes do sistema de freio durante o processo. Esta parte da série irá abordar os conceitos básicos por trás dos freios do carro e examinará o funcionamento de um sistema de freio simples. Os artigos adicionais abordam o restante dos componentes de um sistema de freio do carro, detalhando como cada um opera.


Disposição de um sistema de freio típico

 

Mais freios

Quando você pressiona o pedal de freio, seu carro transmite a força de seu pé para seus freios por meio de um fluido. Como os freios em si requerem uma força muito maior do que você poderia aplicar com seu pé, seu carro precisa multiplicar a força do seu pé. Ele faz isso de duas maneiras:

  • Vantagem mecânica (força de alavanca)
  • Multiplicação da força hidráulica

Os freios transmitem a força aos pneus usando o atrito, e os pneus, por sua vez, transmitem essa força à estrada usando também o atrito. Antes de começarmos nossa discussão sobre os componentes do sistema de freio, vamos verificar estes três princípios:

  • Força de alavanca
  • Hidráulica
  • Atrito

Força de alavanca
O pedal é projetado de tal maneira que pode multiplicar a força da sua perna diversas vezes antes mesmo que qualquer força seja transmitida ao fluido de freio.


Multiplicação da força

Na figura acima, 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). Conseqüentemente, na extremidade direita da alavanca uma força de 2F está disponível, mas age com a metade da distância (Y) que a extremidade esquerda move (2Y). Mudar os comprimentos relativos das extremidades esquerda e direita da alavanca muda os multiplicadores.

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

Sistema hidráulico simples

Na figura acima, dois pistões (mostrados em vermelho) estão encaixados em dois cilindros de vidro preenchidos com óleo (mostrado em azul claro) e conectados um ao outro com uma tubulação preenchida de óleo. Se você aplicar uma força descendente a um pistão (esquerdo, neste desenho), na seqüência a força é transmitida ao segundo pistão através do óleo na tubulação. Como o óleo é incompressível, a eficiência é muito boa - quase toda a força aplicada aparece no segundo pistão. O mais interessante sobre os sistemas hidráulicos é que a tubulação que conecta os dois cilindros pode ser de qualquer comprimento e forma, permitindo que serpenteiem todos os tipos de obstáculos que separam os dois pistões. A tubulação também pode se bifurcar, de modo que um cilindro mestre possa guiar mais de um cilindro escravo se desejado, como pode ver aqui:

Cilindro mestre com dois escravos

Outro ponto atraente sobre um sistema hidráulico é que ele faz a multiplicação (ou a divisão) da força de maneira consideravelmente fácil. Se você já leu Como funciona o sistema de roldana ou Como funciona a relação de marchas, sabe que a troca de força por distância é bem comum em sistemas mecânicos. Em um sistema hidráulico, tudo o que você tem que fazer é mudar o tamanho de um pistão e cilindro relativo ao outro, como pode ver aqui:

Multiplicação hidráulica

Para determinar o fator da multiplicação na figura acima, comece observando o tamanho dos pistões. Suponha que o pistão à esquerda tem 5,08 cm (2 polegadas) de diâmetro (rádio de 1 polegada / 2,54 cm), enquanto o pistão à direita possui 15,24 cm (6 polegadas) de diâmetro (raio de 7,62 cm / 3 polegadas). A área dos dois pistões é Pi * r2. A área do pistão esquerdo é, conseqüentemente, de 3,14, enquanto que a área do pistão direito é de 28,26. O pistão à direita é nove vezes maior do que o pistão à esquerda. Isto significa que qualquer força aplicada ao pistão esquerdo será nove vezes maior no pistão direito. Assim, se você aplicar uma força descendente de 100 libras ao pistão esquerdo, uma força ascendente de 900 libras aparecerá na direita. A única coisa é que você terá que comprimir o pistão esquerdo em 22,86 cm (9 polegadas) para levantar 2,54 cm (1 polegada) no pistão direito.

Atrito
O atrito é uma medida que reflete a dificuldade de se deslizar um objeto sobre outro. Observe a figura abaixo. Ambos os blocos são feitos do mesmo material, mas um é mais pesado. Acho que todos já sabemos qual bloco será mais difícil para a escavadora empurrar.


Força de atrito X peso

Para compreender o porquê disso, observemos um dos blocos e a tabela mais de perto:


Atrito em nível microscópico

Mesmo que os blocos pareçam lisos a olho nú, são na verdade, consideravelmente ásperos em nível microscópico. Quando você ajusta o bloco para baixo na tabela, os pequenos picos e vales começam a se espremer entre si e alguns deles podem na verdade acabar soldados um ao outro. O peso do bloco mais pesado faz com que ele se esprema ainda mais, tornando o deslize ainda mais difícil.

Diferentes materiais têm estruturas microscópicas diferentes; por exemplo, é mais difícil deslizar borracha em contato com borracha do que deslizar aço contra aço. O tipo de material determina o coeficiente de atrito, coeficiente de força necessário para fazer deslizar um bloco sobre o peso desse bloco. Se o coeficiente em nosso exemplo fosse 1,0 então seria necessária uma força de 45 kg (100 libras) para fazer deslizar o bloco de 45 kg ou de 180 kg (400 libras) para fazer deslizar o bloco de 180 kg. Se o coeficiente fosse 0,1, então seriam necessários 4,5 kg (10 libras) de força para deslizar o bloco de 45 kg (100 libras) ou 18 kg (40 libras) de força para deslizar o bloco de 180 quilogramas (400 libras).

Assim, a quantidade de força necessária para mover um bloco dado é proporcional ao peso desse bloco. Mais peso, mais força requerida. Esse conceito aplica-se para dispositivos como freios e embreagens, onde uma pastilha é pressionada contra um disco giratório. Quanto mais força for aplicada contra a pastilha, maior a força de parada.

Coeficientes

Um aspecto interessante sobre o atrito é que normalmente é necessário mais força para parar um objeto solto do que para mantê-lo em movimento. Existe um coeficiente de atrito estático, onde as duas superfícies em contato não estão deslizando entre si. Se as duas superfícies forem deslizar entre si, a quantidade de força é determinada pelo coeficiente de atrito dinâmico, que é geralmente menor do que o coeficiente de atrito estático.

Para um pneu de carro, o coeficiente de atrito dinâmico é muito menor que o coeficiente de atrito estático. O pneu do carro promove a maior tração quando o ponto de contato não está deslizando relativo à estrada. Quando está deslizando (por exemplo, se o carro patinar ou queimar pneus) a tração é reduzida significativamente.

Antes de começarmos a ver todas as partes de um sistema de freio de carro real, vamos observar um sistema simplificado:

Um sistema de freio simples

Repare que a distância do pedal ao pivô é quatro vezes a distância do cilindro ao pivô, assim a força no pedal será ampliada por um fator de quatro antes que seja transmitida ao cilindro.

Repare também que o diâmetro do cilindro de freio é três vezes o diâmetro do cilindro do pedal. Isso multiplica ainda mais a força, desta vez por nove. No todo, este sistema aumenta a força do seu pé em um fator de 36. Se você puser 4,5 kg (10 libras) de força sobre o pedal, 162 kg (360 libras) serão geradas na roda que espreme a pastilha 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 preencher o cilindro de freio e consequentemente não funcionarão. Se for um vazamento principal, então na primeira vez em que você acionar os freios todo o fluido esguichará pelo vazamento e você terá total perda dos freios.

O cilindro mestre em carros modernos é projetado para enfrentar falhas potenciais. Não deixe de ver Como funcionam os cilindros mestres e as válvulas de combinação e outros artigos na série sobre freios (veja os links na página seguinte).

 

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