Fisica nos automoveis

[MrBrown]

Obrigado MrBrown, a mas a minha intenção é apenas resolver o problema do autor do tópico. Não é pedagogicamente relevante saber-se exactamente o que é que varia mais se a Normal ou o atrito. Interessa sim que alguma coisa varia na fórmula e é para esse facto que eu queria chamar a atenção.

Desculpa se fui "brusco". Só depois reli o post e entrei um bocado a pés juntos... ;)

Na verdade, se formos a por as coisas nos termos do post original, tudo varia.
Mas como a questão inicial era:

"Porque é que os pneus mais largos têm maior atrito?"

a resposta será sempre:

"Porque o seu coeficiente de atrito (que varia conforme as mais variadas situações, inclusive com a a área de contacto e geometria desta) é superior."

Ou seja, a equação é simples, sim (aliás, como quase todas as que são bases da física), mas inclui em si uma enorme complexidade, devido às alterações que são contabilizadas nas poucas variáveis.

[Pastis]

"Porque é que os pneus mais largos têm maior atrito?"

a resposta será sempre:

"Porque o seu coeficiente de atrito (que varia conforme as mais variadas situações, inclusive com a a área de contacto e geometria desta) é superior."

Olha, tens mesmo a certeza disso?
Ora vê lá bem...

[MrBrown]

Olha, tens mesmo a certeza disso?
Ora vê lá bem...

Tenho tanta certeza quanta tenho acerca das leis de Newton, das leis da Termodinâmica, da Teoria da Relatividade, etc.

Não fui eu que as determinei, contudo, todos os dias (vá, com excepções ) faço cálculos baseados em algumas delas. Não é por isso que deixa de haver pessoas a contestá-las (e ainda bem).

[Pastis]

Tenho tanta certeza quanta tenho acerca das leis de Newton, das leis da Termodinâmica, da Teoria da Relatividade, etc.

Não fui eu que as determinei, contudo, todos os dias (vá, com excepções ) faço cálculos baseados em algumas delas. Não é por isso que deixa de haver pessoas a contestá-las (e ainda bem).

Ainda bem que tens a certeza porque a mim pareceu-me haver aí confusão entre força e coeficiente de atrito. Mas tb não confirmei nos livros por isso deixo à consideração dos especialistas na matéria.

Acho que, para o caso, não é a variação do coeficiente de atrito que faz com que um pneu agarre mais. Será sim a variação da força de atrito...

Mas estou a falar de cabeça e não tenho essas matérias frescas na cabeça.

[kekanbas]

Obrigado a todos pelas respostas à minha duvida. Achei que era um bom tema para colocar aqui. Na proxima aula experimental vou fazer o teste com a borracha(bem limpa).

Cumprimentos.

[SLR46]

Nada como uma boa pesquisa para deixar uma informação correcta neste assunto. Retirei do forum Quark uma resposta de um colaborador deste projecto, José António Paixão, da FCTUC.

"Sobre as forças de atrito, não me surpreende os resultados da tua experiência. Se fizeste a experiência com cuidado, e afastaste a hipótese de os teus resultados serem devidos a algum problema básico do tipo do levantado pelo Manuel, terás de aceitar os dados da experiência e concluir que, para as superfícies do bloco e do plano inclinado que estudaste na tua experiência, o coeficiente de atrito depende da área de contacto. :shock: Isto não é trágico, porque as leis das forças de atrito são apenas fenomenológicas e não são leis fundamentais da física. Foram enunciadas com base em estudos sistemáticos realizados entre outros por da Vinci e Coulomb, mas que apenas conseguem descrever o comportamento destas forças em situações particulares, que por vezes não são as que se encontram na vida real. :? O atrito é um fenómeno muito complicado e ainda hoje não temos uma verdadeira teoria (fundamental) das forças de atrito - embora estejam a ser dados passos neste domínio...

As leis fenomenológicas do atrito, que vocês certamente conhecem, são as seguintes:

1. A força de atrito é proporcional é força normal entre as superfícies em contacto

2. O coeficiente de atrito é independente da área

3. O coeficiente de atrito estático é superior ao coeficiente de atrito cinético

4. O coeficiente de atrito cinético é independente da velocidade

O problema é que estas leis clássicas, que sobreviveram durante muitos anos, só funcionam em casos especiais e é muito fácil encontrar, na vida real, ou numa experiência de laboratório, exemplos que as contradigam. :shock:

Por exemplo, a lei 1 só é válida dentro de certos limites da força normal, se medirem a força de atrito em função de N verão que a proporcionalidade existe para valores de N baixos mas que tende a saturar num valor constante para N elevado!

Também a lei 2 é muitas vezes violada, como tu descobriste. Na realidade a força de atrito depende da verdadeira área de contacto entre as superfícies (como é intuitivo); devido às múltiplas irregularidades de cada superfície, a área efectiva de contacto é muito menor do que a área aparente. Se pressionarmos um bloco contra um plano, esta área efectiva aumenta - daí a força de atrito ser proporcional à normal! Na realidade, a força de atrito é proporcional, dentro de certos limites, à area efectiva.

Vejamos como isto funciona. Se a área de uma das faces do bloco for de 5 cm2 e a outra de 10 cm2, quando o bloco repousa sobre a superfície maior, a pressão é mais baixa e a área efectiva tem um certo valor ; quando se coloca o bloco em repouso sobre a área menor, a pressão sobre a superfície aumenta e a área efectiva aumenta exactamente na mesma proporção em que a área real diminui...

Ou seja a força de atrito é proporcional à area efectiva (A_{\rm ef**)que por sua vez é proporcional ao produto da pressão pela área aparente (A)


l

Daí a força de atrito ser proporcional a N e independente da área aparente A. Acontece que a proporcionalidade descrita na equação acima só é válida em certas situações, e dentro de limites relativamente estreitos de N!


Também as outras leis do atrito têm um "fraco" domínio de validade. Por exemplo, em muitos materiais, e para superfícies com polimento uniforme e sem rebordos, o coeficiente de atrito estático e cinético são praticamente iguais :shock:

E a partir de um certo valor de polimento, o coeficiente de atrito em vez de diminiui começa a aumentar, e aumenta mesmo muito em certos casos (por exemplo superfíes metálicas em contacto) o que nºao é descrito de todo por esta teoria simples.

Já o Feynman, nas suas famosas lectures on Physics para os caloiros da Univ. de Caltech, chamava a atenção para as leis do atrito serem muito "fracas" e que não se lhes devia dar grande importância...e que há falta de uma teoria fundamental, a experiência tem a última palavra."

Fonte: Quark! • Vendo Tópico - Area de contacto no atrito

[MrBrown]

Ainda bem que tens a certeza porque a mim pareceu-me haver aí confusão entre força e coeficiente de atrito. Mas tb não confirmei nos livros por isso deixo à consideração dos especialistas na matéria.

Acho que, para o caso, não é a variação do coeficiente de atrito que faz com que um pneu agarre mais. Será sim a variação da força de atrito...

Mas estou a falar de cabeça e não tenho essas matérias frescas na cabeça.

Bom, vamos ver se nos entendemos. A força de atrito depende do coeficiente de atrito. A força a que me referia era à normal da resultante (resultante = soma de todas as forças aplicadas num corpo).

Fa=Coef.*N (assim só por alto)

[SLR46]

Estás enganado. Nesse caso o atrito vai ser exactamente o mesmo, porque o peso do objecto não se altera

Peço desculpa mas tu é que estas enganado, lê o ultimo post que coloquei aqui e ficas esclarecido.

[Bimmer]

Esqueçam lá o Coulomb porque a lei dele não pode ser aplicada assim a pneus.

A verdade é que um pneu mais largo sem dúvida que proporciona maior grip lateral. Existem várias teorias e factos que tentam explicar porquê.

Aqui vai uma boa leitura:

It has been recognized for about 40 years now that wide tires provide more grip, at least when we are not limited by aquaplaning. One might suppose that this effect would be be well understood by now, on a theoretical level as well as a practical one. Yet the matter seems to be receiving a lot of attention from various authors lately. This seems to be due in part to the need for mathematical tire models to be used in computer simulation. I have encountered the question at least twice in the past month, once in a seminar presented by Paul Haney, based on his recent book about tires, and once in Paul Van Valkenburgh’s November Racecar Engineering column. The issue has also come up in my work as an advisor to the UNC Charlotte Formula SAE team.

On the face of it, one might wonder why there is any controversy about this, and also why it took people until the 1960’s to try wide tires. More tire, more rubber on the road. More rubber on the road, more traction – right? Why wouldn’t this be obvious?

Essentially, there are two reasons it wasn’t obvious. First, according to Coulomb’s law for dry sliding friction, friction is independent of apparent contact area. It depends instead on the nature of the substances in contact, the normal (perpendicular) force, and nothing else. Second, a tire’s contact patch area theoretically doesn’t vary with its width anyway. If we widen the tread, the contact patch just gets shorter, and the area theoretically stays the same.

Let’s consider each of these notions. Coulomb’s law applies quite accurately to hard, dry, clean, smooth surfaces. However, a tire tread is a soft, tough, sometimes tacky substance in contact with a hard, rough surface. When two hard, smooth surfaces are in contact, they actually touch only at a small percentage of their apparent or macroscopic contact area. Friction depends on molecular bonding in the small microscopic contact zones. As normal force increases, the microscopic contact area increases approximately proportionally, and consequently friction is directly proportional to normal force.

With rubber on pavement, however, there is not only the usual molecular bonding but also mechanical interlock between the asperities (high points) of the pavement and the compliant rubber. Sliding then involves a combination of shearing the rubber apart and dragging the asperities through it as the rubber reluctantly oozes around the asperities. The interface somewhat resembles a pair of meshing gears. With gears, when we increase the size and number of teeth in mesh, we increase the force required to shear off the teeth. It would be reasonable to expect a similar effect with the interlock between the tread and the pavement.

With increasing normal force, this interlock gets deeper, as the asperities are pushed further into the rubber. However, we might reasonably expect that at least beyond a certain point, the asperities are pushed into the rubber to pretty nearly their full depth, and further increase in normal force does not proportionately increase the mechanical interlock. With greater macroscopic contact area, it should take a greater normal force to reach this region of diminishing return.

A tire typically does show characteristics that would match this hypothesis. It will often have a range of loadings where its coefficient of friction is almost constant; where friction force is almost directly proportional to normal force. Above this range, the tire exhibits much greater load sensitivity of the coefficient of friction. The curve of friction force as a function of normal force goes up almost as a straight line for a ways, then begins to droop at an increasing rate.

Of course, the contact patch does not remain the same macroscopic size as load increases. It grows as we add load. Nevertheless, this contact patch growth is evidently not enough to keep the coefficient of friction constant.

The contact patch growth is interesting in itself, and a bit counter-intuitive. A tire can be considered a flexible bladder, inflated to some known pressure, and supporting a load. If such a bladder is extremely limp when uninflated, like a toy balloon, and we inflate it, place it on a smooth, flat surface, and press down on it with a known force, the area of contact with the surface is equal to the normal force divided by the pressure: A = Fn/P.

If a tire approximates this behavior, then it follows that the contact patch area depends only on the
load or normal force and the inflation pressure. If we make the tire wider, then at any given load and pressure the contact patch doesn’t get bigger, it just gets wider and shorter.

Accordingly, much discussion of the reasons a wide tire gives an advantage focuses on reasons we might expect a wider tire to yield greater lateral force than a narrower one, assuming similar construction and identical pressure, tread compound, and load.

One theory, advanced by the late Chuck Hallum and evidently picked up by Paul Van Valkenburgh in his recent column, is that a tire is primarily limited by thermodynamics. It generates drag when running at a slip angle. The drag times the speed equals a power consumption, or rate of energy flow. This energy is converted into heat. For the system to be in equilibrium, the heat must be dissipated as fast as it is generated. Even short of the point of true equilibrium, the tread compound needs to be kept below a temperature where it softens to the point of being greasy rather than tacky. If the contact patch is shorter, that means that each square inch of tread surface spends less time getting heated and more time getting cooled.

Also, when a tire is operating near its lateral force limit, the front portion of the contact patch is “stuck” to the road and the rear portion is a “slip zone” in which the tread moves across the pavement in a series of slip-and-grip cycles. The slip zone grows as we approach the point of breakaway. Beyond the point of breakaway, the entire contact patch is slip zone. The slip zone generates less force and more heat than the adhering zone. A shorter, wider contact patch is thought to have a larger adhering zone and a smaller slip zone at a given slip angle, and wider tires are also known to reach peak force at smaller slip angles. Therefore, a wider tire is not only better able to manage heat, but also generates less heat at a given lateral force.

This all makes sense, but it fails to explain why wide tires give more grip even when stone cold.

There is little doubt that they do. If you have a street car with four identical tires, and you replace the rear tires and wheels with ones an inch wider, using the same make and model of tire, with no other changes, the handling balance will shift markedly toward understeer. You will see this effect at all times, from the first turn in a journey to the last. Surely this effect is not coming from heat management.

Paul Haney explains this by the larger-adhering-zone theory described above. The tire makes more efficient use of its contact patch, even if the contact patch isn’t larger.

As much sense as the above theories make, they ignore some real-world effects that have a bearing on the situation.

First of all, the degree to which tires follow the A = Fn/P rule varies considerably. A very flexible tire, at moderate load, may have a contact patch as large as 97% of theoretical. A fairly stiff tire may be well below 80%. We are all aware of run-flat tires currently being sold, which will hold up a Corvette with no inflation pressure at all. As P approaches zero, Fn/P approaches infinity. If A does not approach infinity, and the tire does not go flat, the contact patch area as a percentage of theoretically predicted area approaches zero.

One might suppose that the effect of carcass stiffness would be significant mainly in street tires, with run-flats being an unrepresentative extreme. Yet I have seen dramatic differences in carcass rigidity in different makes of racing tires intended for the same application. The Formula SAE car run by the University of North Carolina Charlotte uses 10” wheels. Hoosier and Goodyear both make 6” nominal-width tires for the application. The stiffnesses of these tires differ dramatically. The Hoosiers are much more flexible than the Goodyears. The Goodyears are so stiff that they will support the front of the car (without driver), with little visible deflection, when completely deflated – run-flat racing tires! How closely do these tires approximate A = Fn/P in this load range? Not very closely at all.

My point here is that tire stiffness, vertically, laterally, and otherwise, is not purely a function of inflation pressure, so it is a bit risky to try to infer contact patch size from pressure and load. Therefore, we don’t necessarily know that two tires differing only in width do have the same contact patch area at the same inflation pressure and load, or even that tires of the same size do.

Anyway, if it is approximately true that A = Fn/P, it follows that a wide tire will have greater vertical stiffness, or tire spring rate, than a narrow one, at any given inflation pressure. It will also have a smaller static deflection at a given load, which is why the contact patch is shorter. The flip side of this is that for a given static deflection or tire spring rate, a wide tire needs a lower inflation pressure. Consequently, if we compare wide and narrow tires at similar static deflection or tire spring rate, rather than similar pressure, they will have similar-length contact patches and the wider one really will have more rubber on the road, just as we would intuitively suppose from looking at them.

As we make a tire wider, not only does vertical stiffness increase for a given inflation pressure, so does the tension in the carcass due to inflation pressure. A tire is a form of pressure vessel. We may think of it as a roughly cylindrical tank, bent into a circle to form a donut or torus. Borrowing from the terminology of pressure vessel design, we may speak of the “hoop stress” in the walls: the tensile stress analogous to the load on a barrel hoop. For a given inflation pressure, the hoop stress is directly proportional to the cross-sectional circumference, or mean cross-sectional diameter. When the carcass is under a higher preload, the tire acts stiffer laterally. This effect can easily be seen in bicycle tires. A fat bicycle tire will feel harder to the thumb than a skinny one, at any given pressure. If we try to inflate a mountain bike tire to the pressure we’d use in a narrow road racing tire, the tire will expand its bead off the rim and blow out. So when we compare narrow and wide tires at equal inflation pressures, the wider one will be stiffer laterally as well as vertically, and it will achieve this at no penalty in contact patch size.

Finally, there is the question of tread wear. As we have noted, if the contact patch is longer, it has a larger slipping zone near the limit of adhesion, and it also spends a greater portion of each revolution in contact with the road. Not only do these factors influence how hot the tire runs, they also influence how fast it wears. Therefore, assuming good camber control, a wide tire should last longer than a narrow one, with similar tread compound. The astute reader will see where I’m headed with this. If we need to run a given number of laps or miles on a set of tires, then with wider tires we can trade away some of the inherent longevity advantage, and run a softer compound.

Okay, summing up, what does a wider tire get us?
1. It runs cooler, and/or
2. it makes more efficient use of its contact patch by having a greater percentage adhering, and/or
3. it can run at lower inflation pressure and therefore actually have a larger contact patch, and/or
4. it can have greater lateral stiffness at a given pressure and therefore keep its tread planted better, and/or
5. it can use a softer, stickier, faster-wearing compound without penalty in longevity.

[Pastis]

Este tópico é uma valente treta é o que é. Em vez de se discutir o tema de forma humilde, desatam todos a acusarem-se uns aos outros de ignorância com copy pasts de páginas da net sem nexo absolutamente nenhum...

Isso assim não tem piada rigorosamente nenhuma. Livros de Física tenho mais do que muitos e google tb tenho

[jjrodr]

É complicado falar sobre pneus e as suas performances, pois a única marca que alguma vez tornou pública os seus testes e correlações de "grip" foi a Avon em colaboração com um simulador de computador (Netkar Pro) e mesmo nesse caso é complicado tirar conclusões.

[Sotor]

Sou estudante e frequento a disciplina de fisica, numa aula recente estudámos o atrito e desde essa aula que tenho uma dúvida que espero que aqui o pessoal do forum me possa responder.
A formula do atrito é Forçaatrito=indice de atrito x a normal do corpo, em que o indice de atrito varia mediante os materiais em contacto.
Se a força de atrito é o que faz o pneu do carro agarrar-se à estrada,ou seja, que o permite agarrar-se ao solo e na formula da força de atrito não há nenhuma variante que inclua o tamanho ou a área da superficie de contacto(neste caso um pneu com o solo) significa que o tamanho do pneu não tem qualquer influência na aderência do carro, isto é, para o mesmo carro um pneu 245 ou um 195 têm exctamente o mesmo atrito com o solo desde que tenham o mesmo indíce de atrito,ou seja, "agarram-se" à estrada de forma igual.O que na prática não acontece pois existem na minha familia dois carros iguais e o carro que tem os pneus mais largos(195), ou seja, maior contacto com o solo, "agarra-se" melhor que o que tem os pneus mais finos(165), o que leva a crer que quanto maior a área de contacto com o solo maior a aderência.
A minha dúvida é esta, porque que se o atrito é a força que faz o pneu se agarrar ao solo e se na formula da força de atrito não consta que a área tenha influência, porque que na prática um pneu maior se agarra melhor exatamente no mesmo carro?


cumprimentos.

Um professor meu da faculdade Professor Luis andrade Ferreira (doutorado em tribologia -óleos) costumava dizer:

- toda a gente sabe que essa equação está errada, a área influência, mas não há melhor e essa serve bem.

Não te esqueças que pneu maior pesa mais, logo dá mais Reação normal logo mais atrito. (é uma das pequenas justificações que esplicam o melhor desempenho)

[Bimmer]

Este tópico é uma valente treta é o que é. Em vez de se discutir o tema de forma humilde, desatam todos a acusarem-se uns aos outros de ignorância com copy pasts de páginas da net sem nexo absolutamente nenhum...

Isso assim não tem piada rigorosamente nenhuma. Livros de Física tenho mais do que muitos e google tb tenho

Este é um tema muito complexo, não pode ser explicado em duas ou três linhas de texto nem ser alvo de uma discussão leve e "humilde" em que qualquer pessoa que não tenha a mínima formação em física, e/ou principalmente em engenharia (já se sabe no que dá quando se tenta aplicar a física teórica à realidade), e que não tenha estudado o assunto possa dar a sua opinião desinformada.

[jjrodr]

Em relação a pneus acho que apenas engenheiros na área de desenvolvimento de pneus poderiam dar umas luzes reais sobre o assunto, mas de certeza que têm um contracto que os impede de o fazer.
Como em todos os temas há "demasiada" informação/desinformação na internet, mas tenho seguido alguns artigos bastante interessantes sobre algoritmos de física de pneus/alcatão (scanner por lazer) , nomeadamente em simuladores de computador.
Um artigo bastante interessante e nada arrogante quanto à sua verdade absoluta saiu com o simulador iracing do qual deixo o link para quem esteja interessado
iRacing.com | The Sticking Points in Modeling Tires

[SLR46]

Este é um tema muito complexo, não pode ser explicado em duas ou três linhas de texto nem ser alvo de uma discussão leve e "humilde" em que qualquer pessoa que não tenha a mínima formação em física, e/ou principalmente em engenharia (já se sabe no que dá quando se tenta aplicar a física teórica à realidade), e que não tenha estudado o assunto possa dar a sua opinião desinformada.

Exactamente, a Física, como muitas outras, é uma ciencia objectiva.

No caso da citação da explicação do professor José António Paixão, coloquei-a aqui porque a mesma pergunta deste tópico foi colocada no fórum de física Quark, e foi respondida por uma pessoa formada neste ramo.

Como é uma resposta para estudantes, está bastante clara e vem eliminar as dúvidas neste tópico. Eu próprio, como estudante de engenharia aprendi com o post, portanto, a fim de evitar mais dúvidas sobre este assunto, decidi partilhar.

Eu fiquei sem dúvidas, e vocês?