Para entendermos as grandes diferenças entre as técnicas empregadas nos carros convencionais e as possíveis de serem implementadas em carros com tração elétrica, é preciso antes entender os fenômenos de aderência estática e dinâmica do pneu junto ao solo.
Este é, em essência, o processo para se lidar com a automação de qualquer tipo de processo. Primeiro entendemos todas as propriedades do processo que desejamos controlar, para depois estudarmos as estratégias de controle.
Vamos começar pelo básico.
Atrito
O elemento básico do comportamento do pneu é a interação entre o pneu e o solo.
Nossa primeira classificação para o atrito é a de atrito estático e atrito dinâmico. De maneira simplificada, o coeficiente de atrito estático máximo é maior que o coeficiente de atrito durante o deslizamento.
Aprendemos na escola que, no modelo clássico do atrito seco, o valor limite da força de atrito estático é proporcional à carga aplicada, multiplicada por um coeficiente de atrito estático. Uma vez ultrapassado esse limite, os corpos começam a se mover uns sobre os outros e passamos à condição de deslizamento, na qual a força de atrito pode ser menor.
Esse modelo, entretanto, é apenas uma aproximação. Quando tratamos de pneus, a realidade é muito mais complexa.
A teoria clássica para explicar o atrito considera que as superfícies em contato possuem microirregularidades que interagem mecanicamente entre si, dificultando o movimento relativo. Essa ideia ajuda a explicar parte do atrito e também fenômenos como desgaste e geração de calor quando duas superfícies deslizam uma sobre a outra.
Porém, essa explicação é insuficiente para diversos materiais e, principalmente, para a borracha.
Considere, por exemplo, o caso de uma borracha escolar pressionada contra uma placa de vidro. Tanto o vidro quanto a superfície da borracha podem parecer extremamente lisos a olho nu. Ainda assim, quando pressionamos a borracha contra o vidro, encontramos uma força de atrito considerável.
Isso acontece porque o atrito real não depende apenas do chamado “engrenamento” mecânico das irregularidades. No caso da borracha, também existem mecanismos de adesão entre as moléculas das duas superfícies. Entre esses mecanismos estão as forças intermoleculares, incluindo as forças de Van der Waals.
É importante observar que forças de Van der Waals não significam que as moléculas estejam simplesmente “compartilhando elétrons”. O compartilhamento de elétrons é característico de ligações covalentes. As forças de Van der Waals são interações intermoleculares associadas à distribuição de cargas e à formação de dipolos permanentes ou instantâneos.
No caso dos pneus, além da adesão entre a borracha e o pavimento, existe também a interação mecânica da borracha com as irregularidades da superfície do piso. Outro mecanismo importante é a deformação viscoelástica da borracha, que produz perdas de energia quando ela se deforma continuamente ao passar pelas irregularidades do pavimento.
Portanto, o comportamento de um pneu em contato com o solo não pode ser descrito adequadamente apenas pelo modelo elementar de Coulomb, baseado em um único coeficiente de atrito.
Ele depende da natureza do pavimento, da sua rugosidade, da composição da borracha, da temperatura, da carga sobre o pneu, da velocidade e, principalmente, da maneira como o pneu está sendo solicitado.
É essa complexidade que torna o estudo dos pneus tão importante para o controle de um automóvel.
O efeito stick-slip
Normalmente, quando uma superfície é impulsionada por uma força maior que a força limite de atrito estático, considera-se que ela passa a deslizar sobre a outra superfície, assim como um patinador desliza sobre o gelo.
Porém, existe um fenômeno muito importante que combina atrito estático, atrito durante o deslizamento, elasticidade e força impulsora. Esse fenômeno é conhecido como stick-slip, ou, em uma tradução aproximada, “prende-desliza”.
O efeito stick-slip pode ser observado quando empurramos uma mesa ou um guarda-roupa muito pesados.
Empurramos esses móveis com nossas mãos na altura dos nossos ombros, enquanto o móvel resiste ao movimento por causa do atrito entre seus pés e o chão. Enquanto a força impulsora aumenta, a estrutura do móvel e os pontos de contato podem sofrer pequenas deformações elásticas.
Quando a força aplicada supera a resistência máxima ao movimento, o móvel começa a se deslocar. Nesse instante, a resistência ao deslizamento pode ser menor do que a resistência que existia enquanto o móvel estava parado.
A redução dessa resistência permite que a energia armazenada na deformação elástica seja liberada. O móvel então pode acelerar, reduzir a deformação e voltar a uma condição na qual o movimento relativo entre as superfícies de contato diminui ou desaparece.
Dependendo das características do sistema, esse processo pode se repetir em ciclos: a estrutura se deforma, ocorre deslizamento, a deformação é parcialmente liberada e novamente surge uma condição de aderência.
O resultado pode ser uma vibração e um ruído característicos.
O efeito stick-slip também aparece em diversas situações relacionadas à operação dos pneus e é particularmente importante para entendermos o que acontece quando o pneu se aproxima ou ultrapassa o limite de aderência.
A roda
Vamos imaginar uma roda com pneu de um automóvel.
Um pneu, quando não está deformado, apresenta aproximadamente uma forma circular. Entretanto, matematicamente, um círculo toca um plano em apenas um ponto geométrico.
Se esse círculo tivesse uma força pressionando-o contra o plano, a área geométrica de contato seria zero e, no modelo matemático ideal, a pressão naquele ponto tenderia ao infinito.
Isso, evidentemente, não acontece no mundo físico.
O pneu é um elemento elástico e deformável. Quando pressionado contra o solo, ele se amolda ao pavimento, criando uma região de contato com uma área finita.
Costuma-se representar essa região, em modelos simplificados, por uma forma aproximadamente elíptica, embora sua geometria real seja muito mais complexa e dependa da construção do pneu, da pressão interna, da carga, da deformação e das características do pavimento.
Em uma situação estática e simplificada, podemos relacionar a carga aplicada sobre a roda à pressão média existente na região de contato. Essa relação ajuda a entender por que o aumento da carga ou a alteração da pressão do pneu modifica a área de contato.
Para nosso estudo, vamos considerar inicialmente apenas as forças longitudinais de aceleração e frenagem aplicadas nessa região.
Toda força longitudinal que o pneu transmite ao veículo através do solo é produzida por interações distribuídas nessa região de contato.
Portanto, vamos delimitar visualmente a largura dessa superfície de contato, conforme o próximo diagrama.
A aceleração
Observe o diagrama a seguir. Ali, a roda sofre um torque de tração no mesmo sentido da rotação.
A região de contato com o solo, em um primeiro instante, parece estar simplesmente “parada”. Porém, o torque aplicado à roda produz deformações na borracha da banda de rodagem.
À medida que uma determinada região da banda entra em contato com o solo, ela sofre uma deformação longitudinal. Enquanto permanece na região de contato, essa deformação se distribui ao longo do comprimento da área de contato. Ao sair do contato, a borracha sofre o processo inverso e recupera progressivamente sua forma.
Assim, a região de contato entre o pneu e o piso não deve ser imaginada como uma simples área rígida e estática. Ela é uma região na qual a borracha está continuamente sendo deformada, armazenando e dissipando energia.
Esse comportamento é fundamental para entendermos como um pneu consegue transmitir força ao solo.
Existe ainda um conceito muito importante: o slip ratio, ou escorregamento longitudinal.
Em uma roda que rola sem escorregar, a velocidade periférica correspondente à rotação da roda é compatível com a velocidade de deslocamento do veículo. Entretanto, quando aplicamos torque de tração, a deformação da banda de rodagem faz com que essa relação deixe de ser perfeitamente ideal.
Podemos então ter uma pequena diferença entre a velocidade correspondente à rotação da roda e a velocidade de deslocamento do veículo, mesmo antes de ocorrer um grande deslizamento visível do pneu sobre o pavimento.
Esse pequeno nível de slip é extremamente importante.
Ele permite que se desenvolvam forças longitudinais significativas entre o pneu e o solo. A força de tração não aparece simplesmente porque existe um “atrito máximo” estático agindo sobre um corpo rígido. Ela resulta de uma complexa distribuição de deformações, tensões e mecanismos de adesão e histerese dentro da região de contato.
Uma analogia interessante é observar como um jogador de basquete consegue segurar firmemente uma bola com uma única mão, envolvendo apenas uma pequena região da sua superfície. A deformação da mão e da bola, combinada com as forças de contato, permite produzir uma força muito maior do que a simples imagem de duas superfícies rígidas em contato poderia sugerir.
Algo semelhante, embora fisicamente muito mais complexo, ocorre com a borracha do pneu.
O importante é compreender que o pneu não é um corpo rígido apoiado sobre o solo. Ele é um elemento deformável que utiliza suas propriedades elásticas, viscoelásticas e adesivas para transmitir forças.
A frenagem
Observe o diagrama a seguir, que mostra o que ocorre durante a frenagem.
Em tese, temos uma situação aproximadamente simétrica à aceleração: a inversão do torque sobre a roda faz com que a distribuição das deformações na banda de rodagem também se inverta.
A região da banda que entra em contato com o solo passa a sofrer um processo de deformação diferente daquele observado durante a tração, e a sequência de deformações ao longo da região de contato é invertida.
Novamente, a roda pode transmitir uma força significativa ao veículo sem que isso signifique que todo o pneu esteja simplesmente deslizando sobre o pavimento.
Durante uma frenagem normal, existe uma região de operação na qual o pneu apresenta uma determinada quantidade de slip longitudinal e consegue produzir uma grande força de frenagem.
À medida que o escorregamento aumenta, a força de frenagem não necessariamente aumenta indefinidamente.
Existe uma região na qual o pneu consegue produzir sua maior capacidade de força longitudinal. Se ultrapassamos essa região, o comportamento pode se deteriorar e o pneu passa a perder capacidade de transmitir força de maneira eficiente.
É justamente esse comportamento que será fundamental para entendermos o funcionamento do ABS e dos sistemas de controle de tração.
O modelo simplificado
Repare que o modelo que mostrei aqui é bastante simplificado.
O modelo real é muito mais complexo.
A borracha da banda de rodagem não se limita à fina superfície que vemos externamente. Existe uma estrutura formada por diferentes camadas de borracha, cintas, lonas e outros elementos, que confere ao pneu propriedades de rigidez e elasticidade capazes de acomodar as deformações que ocorrem durante o rolamento.
Além disso, a borracha possui comportamento viscoelástico. Isso significa que sua resposta à deformação não é puramente elástica: parte da energia utilizada para deformá-la é armazenada e posteriormente recuperada, enquanto outra parte é dissipada na forma de calor.
Também não discutimos aqui o que acontece com a região de contato quando o veículo faz curvas. Nesse caso, surgem forças laterais e uma distribuição ainda mais complexa de deformações e tensões.
Mas esse modelo simplificado já ajuda a ter uma boa noção do comportamento dinâmico de um pneu em contato com o solo.
E quando o limite de aderência é ultrapassado?
Em uma escala de tempo muito pequena, as propriedades elásticas e viscoelásticas da borracha fazem com que a transição entre aderência e deslizamento não seja simplesmente uma mudança instantânea entre dois estados perfeitamente definidos.
À medida que aumentamos o torque de tração ou de frenagem, aumentamos também as deformações da banda de rodagem e o slip longitudinal.
Existe uma região de operação na qual pequenas variações de torque podem produzir grandes mudanças no comportamento do pneu.
É justamente nessa relação entre torque aplicado, rotação da roda, velocidade do veículo e força produzida pelo pneu que se baseiam sistemas como o ABS e o controle de tração.
Mas este é assunto para outra oportunidade.
Quando o pneu ultrapassa sua capacidade de transmitir força de maneira eficiente, o deslizamento pode aumentar rapidamente. A energia associada às deformações da borracha passa então a ser dissipada de maneira muito mais intensa, podendo produzir vibrações e ruídos característicos.
Em determinadas condições, fenômenos de stick-slip também podem contribuir para essas vibrações e ruídos.
É daí que vêm algumas das características facilmente perceptíveis de uma frenagem muito próxima do limite de aderência ou de situações de perda de tração.
Conclusão
Há quem diga que o pneu é o componente de comportamento mais complexo presente no automóvel.
Diferentemente de muitos outros componentes, cujo comportamento pode ser descrito com grande precisão por modelos matemáticos relativamente bem estabelecidos, os pneus ainda são foco intenso de pesquisa e desenvolvimento.
Muitos aqui devem lembrar das palavras inteligentes de uma propaganda da Pirelli:
“Potência não é nada sem controle.”
Pois é o bom desempenho dos pneus que dá controle, desempenho e segurança ao automóvel.
E, mais importante ainda, é justamente o controle sobre as condições de operação dos pneus que permite explorar melhor os limites de aderência disponíveis.
Esse ponto será fundamental para entendermos as diferenças entre um automóvel convencional e um automóvel com tração elétrica.
É o que veremos na próxima parte.
AAD
