Edição 1929, 2 de novembro de 2005

Ciências da Natureza, Matemática e suas Tecnologias – Física

Embarque com a turma no vaivém
da indústria automobilística

Discuta os conceitos físicos aplicados na fabricação de carros de menor consumo e bom desempenho

“Cura para os Beberrões”, págs. 106 e 107 de VEJA Duas aulas de 50 minutos Veículos automotores, combustíveis e grandezas da mecânica Construir e aplicar conceitos das várias áreas do conhecimento para a compreensão de fenômenos naturais e da produção tecnológica Discutir conceitos da Física com base nas tecnologias envolvidas na redução do consumo de combustíveis

O grande símbolo de status muda na preferência do consumidor conforme o bolso de cada um. E os fabricantes de automóveis se vêem obrigados a acompanhar a demanda. Na maior parte das vezes, esse mercado gira conforme o preço internacional do petróleo – tendência que o Brasil segue, mesmo sendo quase auto-suficiente na produção desse item energético. A reportagem de VEJA anuncia um novo esforço das montadoras para sobreviver sem fazer grandes investimentos: a criação de um modelo de carro com design e dispositivos capazes de reduzir em 50% o dispêndio de gasolina. As transformações sugeridas passam todas pela aplicação de conceitos da Física e podem servir como fio condutor para uma revisão com a garotada – ou mesmo uma abordagem inicial do assunto.

Para começo de conversa

Após a leitura do texto, peça que a turma anote as grandezas e os conceitos físicos citados. Liste no quadro os principais tópicos da disciplina envolvidos: peso, rendimento, pressão, força, trabalho, potência, velocidade, coeficiente aerodinâmico, atrito, roldanas, polias, engrenagens etc. Resuma as informações mais relevantes sobre cada um usando, se necessário, exemplos relacionados à reportagem.

É bom lembrar que, apesar de ser basicamente o mesmo de 100 anos atrás, o carro atual tem quase todas as partes e funções otimizadas tecnologicamente, com evoluções do tipo “mais e melhor do mesmo”.

Para saber mais

Analise cada um dos seis caminhos possíveis para diminuir o consumo de combustível automotivo.

Materiais mais leves – Lembre que outras características, além da densidade dos materiais, devem ser consideradas. Mencione algumas: resistência mecânica (módulo de Young, tensões, trações, cisalhamentos), dureza, durabilidade, atrito, capacidade de dissipação de calor e condutibilidade térmica.

Pneus com sensores de pressão – A pressão interna nos pneumáticos altera a rigidez externa, o que modifica o coeficiente de atrito e a área de contato com o solo, aumentando ou diminuindo a aderência à pista. Diâmetro, largura, área de contato e dureza são calculados de modo a otimizar o atrito. Idealmente, forças de atrito com o solo na direção do movimento só devem existir no sentido do deslocamento do veículo. Qualquer componente em sentido contrário – provocado, por exemplo, por pneus murchos – faz decrescer a resultante. Pneus muito cheios, por outro lado, reduzem a área de contato com o solo e a aderência, o que acaba produzindo uma redução na força de atrito média.

Design aerodinâmico – O aspecto externo de um veículo atende a diversos fatores, práticos e estéticos. O coeficiente aerodinâmico depende do formato macroscópico do carro, mas também de características microscópicas de sua superfície. Assim, não apenas as linhas, as curvas, devem ser consideradas, mas também a textura. Faça uma analogia com as bolas de golfe, o pólen de certas plantas, a pele dos tubarões etc.

Motor inteligente – Os padrões continuam a ser o de 4 tempos (otto), o de 2 tempos e o diesel, todos centenários, e mais recentemente o Wankel (nos anos 60, idealizado por Felix Wankel). A tal “inteligência” dos motores, devida aos microprocessadores, é de fato muito tardia.
Starter generator – Quanto à função desse componente, discuta a possibilidade de criar um sistema capaz de girar durante a frenagem do automóvel e armazenar a energia cinética translacional do movimento. Assim, quando o veículo precisasse retomar a marcha (vencer a inércia), a energia cinética do sistema seria transferida às rodas.

Câmbio de 6 marchas – A potência (força x deslocamento / tempo) necessária para manter a velocidade de um veículo, considerando constantes sua massa e seu formato, muda com a própria velocidade (que implica variações da resistência do ar, do empuxo, do peso aparente e, conseqüentemente, do atrito com o solo). A cada velocidade corresponde um valor distinto de potência necessária e uma velocidade diferente de rotação do motor. Ou seja, em baixa velocidade, a rotação do motor pode ser baixa e a das rodas também, mas a potência tem de ser elevada; em alta velocidade, a rotação do motor precisa ser mais alta e a das rodas idem, mas a potência pode ser baixa. O ajuste entre a potência necessária e a velocidade do veículo é tão melhor quanto maior o número de marchas disponível. No limite, teríamos um “câmbio contínuo” automático – que, ao menos em teoria, é plausível.

Exercícios e outras atividades

Desafie a moçada a sugerir outras estratégias possíveis, por mais malucas que pareçam. Exemplifique com os carrinhos de molas ou toróides giratórios (que armazenam energia cinética de rotação). Apesar de nas últimas três décadas esses dispositivos terem quase desaparecido do mercado, substituídos por conjuntos com pilha e motor elétrico, até hoje os encontramos amiúde (nos brindes dos Kinder Ovos, por exemplo). Uma idéia ainda não implementada em nenhum modelo de automóvel implica dotar o veículo de dispositivos capazes de aproveitar sua energia potencial gravitacional durante uma descida, armazenando-a numa mola ou mesmo num toróide giratório. No caso da mola, deveria ser semelhante à espiral de um relógio. Já o toróide poderia ser único, localizado no meio do carro, ou quatro, localizados próximos e paralelos às rodas. Realce que os toróides giratórios dificultariam as mudanças de direção (efeito giroscópico), mas esse inconveniente pode ser eliminado com o uso de pares de toróides acoplados em paralelo na vertical, ou mesmo dispostos horizontalmente (o que, de quebra, ainda aumentaria em muito a estabilidade do automóvel).

Outro dispositivo interessante para discussão é um sensor de vento, capaz de acionar automaticamente uma vela aerodinâmica sempre que a componente da velocidade do ar na direção do deslocamento for maior que a velocidade do carro. Faça um resumo dos tipos fundamentais de energia disponíveis para uso nos veículos automotores e oriente a turma a pensar em maneiras de aproveitar esses recursos.

Plano de aula sugerido pelo físico Renato da Silva Oliveira, coordenador do Planetário Móvel AsterDomus, de São Paulo