Para o homem, a invenção da roda foi uma grande melhoria não apenas para o transporte, mas também na maneira como a carga era transportada. Diante das rodas não há solução senão arrastar objetos pelo chão, que exigem a força de muitos homens. Até as pirâmides do Egito foram construídas usando pequenos cilindros para mover os grandes blocos para cima. Quando as primeiras rodas foram criadas, estas eram rodas sólidas usadas em carruagens. A principal característica de uma roda sólida é que a área de contato é muito pequena, de modo que é considerada uma linha. Portanto, o ponto de velocidade relativa está sobre o contato da roda e a superfície e sem velocidade relativa, ou velocidade instantânea zero.

Finalmente, no final do século XIX, surgiram os primeiros automóveis. Estas eram principalmente variações motorizadas de carruagens de cavalos. Foi uma questão de tempo até que esses veículos se tornassem rápidos o suficiente para que as rodas sólidas apresentassem seus problemas. Vibrações e baixa fricção. A transição para os pneus foi lenta, primeiro apareceu a roda maciça com um “pneu” de borracha que se parece com uma calota de borracha. Em seguida surge o primeiro pneu, com câmara de ar e lonas diagonais. A evolução resulta em pneus tubeless e radiais. No entanto, a principal característica dos pneus pneumáticos é que são complacentes, deformam-se sob carga, mesmo estática. Dinamicamente sua deformação aumenta. Portanto, isso resulta em uma área de contato diferente em relação às rodas sólidas (Figura 1 e 2). Este é assimétrico e variável, mas seu tamanho é geralmente o mesmo de uma mão.

A Figura 2 ilustra que o contato não é mais uma linha, mas uma área de contato que achata quando o pneu é carregado e está sobre a superfície. Neste caso o pneu depende significativamente das interações moleculares entre a borracha e o asfalto. O patch de contato e o solo se desenvolvem como velocidade de deslizamento que está acima do plano de patch de contato, isso é chamado de deslizamento. O pneu depende da quantidade de contatos moleculares no remendo para proporcionar um atrito adequado. Portanto, diferentemente das rodas maciças, o pneu não depende muito da área de contato, mas quanto maior a carga vertical, maior é a área de contato e maior é a área de contato efetivo, que é aquela em que existem as interações moleculares . Portanto, a primeira conclusão sobre o atrito dos pneus pode ser feita. O atrito do pneu é uma propriedade estatística, pois depende de vários parâmetros, sendo um deles a rugosidade. Como isso é melhor definido estatisticamente, o atrito dos pneus é uma propriedade estatística e requer um modelo adequado para ser avaliado e analisado.

É sabido que o coeficiente de atrito tem dois valores, o estático e o dinâmico. Sem coeficiente de atrito dinâmico não há movimento entre as peças ou componentes, porque não há velocidade relativa entre as superfícies. No entanto, a principal preocupação não são os dois valores, mas a transição do coeficiente de atrito estático para o dinâmico e vice-versa. Desde que o fenômeno do atrito começou a ser estudado, vários modelos tentaram descrever essas transições. De fato, alguns sistemas desenvolvem problemas vibracionais devido a essa transição. O modelo principal é dado por:

µ_k = µ_s ∙ 1/(1-χ)

Para os pneus, os principais valores do coeficiente de atrito são µ = 1,00 em condições secas e 0,80 em condições molhadas. Carros de corrida como F1 geralmente operam com coeficientes de atrito de 1,55-1,60, enquanto carros GT geralmente exibem um coeficiente de atrito estático em torno de 1,30-1,35.

Observando como e quais cargas de roda interagem com um veículo, é possível definir duas situações, o mesmo veículo com e sem dispositivos aerodinâmicos ou uma forma otimizada para gerar cargas aerodinâmicas (Figura 4). Supondo que este veículo possa gerar duas vezes seu próprio peso como carga aerodinâmica, é possível entender como com os mesmos pneus e µ é possível obter uma maior força lateral (Fy) sem prejuízos à massa e dinâmica do veículo. A carga aerodinâmica não inflige mais peso ao veículo. Daí é possível escrever:

F_z = w + A ; A ⋍ 2w → F_z = 3w

F_y = w∙a_y → (w + A)∙µ = w∙a_y

Fy = µ∙Fz = µ∙3w → if µ = 1 → µ∙3w = a_y∙w → a_y = 3

O aeroload não representa um peso adicional no carro, pois teria mais material. Na verdade, representa mais carga para o pneu. Portanto, o ponto principal agora é a transição entre µ estático para dinâmico.

A Figura 5 destaca em verde o trecho onde se inicia a transição, logo após o coeficiente de atrito estático máximo. Este não é dissipativo, pois não há velocidade relativa. Porém, na zona de transição a velocidade relativa começa a ocorrer, então o coeficiente vai se tornando dissipativo. Aparecem os mecanismos de adesão e coesão, pois os pneus funcionam devido ao atrito cinético. Em outras palavras, a aderência do pneu está relacionada com a velocidade, conforme observado pela equação escrita na Figura 5. Não importa qual correlação seja adotada, a maioria delas é experimental, mas o mais importante, todas são dependentes da velocidade.

Atrito das pistas de corrida

Existem vários tipos de estradas nas quais os carros podem trafegar. Sua denominação vem do passado, quando os animais criavam caminhos e trilhas. Destes a estrada aparece. A denominação pista vem do italiano “pistare” e “strada” vem de stratos, que significa camada. Obviamente que ao longo dos anos as técnicas usadas para construir uma estrada mudaram, ainda mais para pistas de corrida. Estes são geralmente construídos com agregados de britagem de rochas duras de arenito, areia e finos. Seus tamanhos são cerca de 5 a 10 mm. Eles são unidos por betume. A mistura a quente com o ligante resulta no concreto betuminoso. Isso é colocado na estrada e compactado. Existe uma relação ideal entre o tamanho das rochas duras britadas. Por mais finas que sejam, aproximam-se da areia, no caso contrário, das rochas. Esses extremos não são bons para aderência. Assim, é possível observar que o desenvolvimento das estradas depende do tipo de veículos que trafegarão por elas.

Como o atrito é propriedade do contato, não do pneu e da própria superfície, o pneu e o tipo de veículo definirão o comportamento da curva de aderência. Por exemplo, se o veículo for capaz de desenvolver velocidades muito altas ou se o pneu for capaz de desenvolver ângulos de derrapagem altos ou baixos. Assim, apesar das características do asfalto da pista, o veículo e seus pneus serão parâmetros definitivos para o comportamento do carro.

Medições de superfície de estrada e corrida

Existem três pilares para o comportamento de aderência, pneus, carros e superfícies. Isso torna a medição do atrito da superfície uma boa informação para uma prévia das condições da pista. Existem dois métodos principais para avaliar a superfície da pista, o SRT (bloco de borracha) e o pneu de referência.

SRT é baseado em um pêndulo que é deixado livre para cair de uma altura pré-definida h. Na ponta da haste do pêndulo há um bloco de borracha feito de um composto conhecido. A medição é baseada no delta entre a energia inicial e final. Isso pode ser facilmente calculado, pois h e α1 são conhecidos. Essa altura geralmente é menor que o comprimento do pêndulo. Em outras palavras, o bloco de borracha deslizará sobre a superfície dissipando parte da energia por atrito. Portanto, isso pode ser calculado desde que o maior ângulo obtido após o contato α2 seja medido. A diferença entre a energia antes e depois do atrito é a energia devida ao atrito. A partir de outros pêndulos e seus dados de movimento é possível encontrar o coeficiente de atrito. Esta é a caracterização da aderência da interface da estrada molhada com borracha.

O pneu de referência é rebocado por um automóvel que se desloca a uma velocidade pré-definida. Existem duas medições, o coeficiente de atrito longitudinal e transversal. A primeira refere-se a situações como dirigir e frear. Nesses casos, a roda é travada e o coeficiente de atrito pode ser calculado. Para cargas laterais, um ângulo de escorregamento é induzido no pneu, assim o componente transversal pode ser medido. Portanto, o composto, a altura do piso e a superfície asfáltica são os principais parâmetros para a aderência. O atrito é uma característica do contato, não apenas da superfície ou do pneu. As superfícies sob atrito variam sua rugosidade com o tempo, tornam-se cada vez mais lisas, portanto, o atrito entre os pneus e as superfícies da estrada diminui à medida que os pneus são usados. Portanto, é possível discutir sobre a superfície de contato efetiva.

Superfície de contato efetiva

Embora se veja que o pneu está em contato com a estrada, nem toda a área da banda de rodagem está em contato com ela por vários motivos. Por exemplo, assume-se que a estrada é plana, para simplificar os cálculos da dinâmica de condução, mas na realidade o que define a área de contato é a superfície de suporte de carga. Isso depende da rugosidade da superfície e seus vazios, que definem a pressão local da mancha de contato. Os mecanismos de adesão e coesão são afetados principalmente pela rugosidade, portanto a superfície de suporte de carga é importante para este caso. Se um bloco fosse pressionado contra uma folha de papel sobre a superfície de uma estrada, seria possível observar algumas características desse contato. Superfícies consideradas novas, relativamente rugosas, 5 a 10% da superfície do bloco apresentam apenas irregularidades na superfície.

Superfície da estrada

A rugosidade superficial possui duas medidas básicas, a micro e a macro rugosidade (Figura 9). A primeira é da ordem de 0,001 a 0,1 mm, enquanto a macro rugosidade tem o desvio padrão entre 0,1 e 10 mm. Estes também afetam os mecanismos de atrito, que podem ser macromecânicos e micromecânicos, que se referem a indentação e adesão, respectivamente. Além disso, esses mecanismos estão conectados à borracha e aos polímeros do pneu. Por exemplo, nos metais, o mecanismo é micromecânico, porque é uma estrutura diferente, cristalina.

A Figura 10 ilustra que o atrito ou aderência é resultado da soma de dois mecanismos, indentação e adesão. A aderência também muda em função da temperatura e da quantidade de borracha na pista. Quando chove, a água forma uma camada entre as micro rugosidades da estrada. Assim, em condições de chuva não há aderência, a operação dos pneus só conta com entalhes.

O mecanismo de adesão é dependente da adesão molecular ou forças de Van-der-Waals entre a borracha e a pista, enquanto a indentação, também chamada de coesão, requer saliências que penetram na borracha. A aderência gera calor, isso vem da coesão. Portanto, esse mecanismo é a principal fonte de aderência. A adesão costuma contribuir com 10-15% da aderência. Além disso, para carros de passeio, a definição de aderência é limitada pela segurança, consumo de combustível e custo.

A aderência das pistas geralmente muda de um ano para o outro. Isso sugere que a rugosidade muda com o tempo. Na verdade, ele também muda ao longo do dia, porque a borracha fica retida entre as rugosidades macro, que é um detalhe importante sobre as rugosidades da pista de corrida.

A Figura 13 ilustra um gráfico com a compilação de todos os dados de rugosidade sobre uma temporada de F1, é possível observar que qualquer pista atinge as condições de microrough ou macro smooth. Na verdade, a maior parte das pistas está concentrada em micro e macro curvas acidentadas e no meio entre todas as condições. Isso pode ser explicado pelo fato de que as micro e macro pistas geralmente são circuitos com um asfalto muito bom e novo. Por ser relativamente novo, apresenta uma rugosidade maior, apesar dos circuitos de rua ou circuitos antigos apresentarem um asfalto bastante desgastado, mas não micro e macro liso como visto no Canadá e no Azerbaijão. Assim que uma nova pista começa a ser usada, a rugosidade da superfície passa cada vez mais de uma condição áspera para uma condição lisa. Normalmente, os percursos de rua apresentam um asfalto mais desgastado, pois são continuamente utilizados pelo tráfego urbano.

Aderência em condições úmidas ou molhadas

Em condições úmidas Figura 14, a macro rugosidade drena e armazena água em seus vales. Entretanto, um filme de água é formado sobre a macrorrugosidade. No caso da microrrugosidade, este filme é dividido por muitos picos na superfície macro rugosa. O resultado é a geração de pontos de alta pressão entre a superfície e o pneu que atravessa a película de água. Se o asfalto escoa mais água, também proporciona mais aderência, portanto, mais consumo de combustível. Isso também significa que essa superfície possui um bom nível de microrrugosidade. Os pneus de chuva nas corridas têm muito mais coesão do que os pneus slick para seco. A perda de atrito em superfícies molhadas/úmidas depende de como a superfície drena a água. De fato, condições úmidas/molhadas pioram a adesão molecular ou química, enquanto a indentação não muda significativamente.

Se analisarmos os principais tipos de pavimentos em relação às condições húmidas e molhadas, o macrorough – microrough é o que tem maior capacidade para escoar a água de forma eficiente. No caso contrário, há macro e micro asfalto liso, também chamado de asfalto flushing, com coeficiente de atrito muito pequeno em condições molhadas. Este poderia ser o caso em cursos de rua. Assim, a superfície ideal é uma rugosidade áspera, que proporciona uma superfície micro e macro rugosa. O segundo melhor é o duro-liso, porque ainda retém alguma adesão e oferece algum contato seco.

Rugosidade e comprimento de onda

O atrito do pneu funciona em um tempo e comprimento de onda específicos (Figura 16). A banda de rodagem da área de contato é da ordem de 20 cm de comprimento de onda. As texturas asfálticas micro e macro variam entre 10 μm e 1 mm e de 1 mm a 10 mm, respectivamente. O resultado é que cada carro de corrida enfrenta a pista de maneira diferente. O impacto da estrada no carro muda se a velocidade mudar. Portanto, a frequência espacial da estrada é fixa, mas a velocidade é o que resulta na variação da frequência temporal.

Este é o ponto chave, porque a frequência de tempo está relacionada ao calor. Se um carro anda devagar sobre as asperezas da estrada e o mesmo carro nas mesmas asperezas da estrada agora está andando rápido, a suspensão experimentará diferentes cargas nas rodas. A estrada não muda, quanto mais rápido o carro passa nas asperezas, maior o impulso. No caso contrário, o impulso é menor. Portanto, as cargas de suspensão também são função da velocidade de deslocamento.

Uma das principais técnicas para avaliar o perfil de rugosidade de uma trilha é pelo espectro de densidade de potência da superfície (Figuras 18 e 17). Normalmente, os resultados de muitas trilhas diferentes convergem para uma média. Como resultado, todas as estradas são semelhantes, mas não são iguais do ponto de vista do carro. No campo das corridas, isso significa mais ou menos aderência. Assim, os parâmetros que definem uma estrada são o número de onda ν e o comprimento de onda λ, que são análogos à frequência e ao tempo, respectivamente.

As estradas tendem a evoluir seu número de onda para um nível mais baixo devido ao polimento da superfície ao longo do tempo. A densidade do espectro de potência é uma decomposição em uma série de funções senoidais. Portanto, é possível dividir os espectros da trilha. Isso não varia no tempo, mas varia no espaço, portanto, uma estrada pode ser descrita por um sistema numérico nos comprimentos de onda espaciais.

Referências

• Haney, Paul. The Racing & High-Performance Tire – Using the tires to tune for grip and balance. TV Motorsports & SAE, 2003.