“Porque eles esquentam, oras”, diria você. Mas a resposta completa é bem mais interessante que isso. Quem nos explica é o físico Guilherme Rizzo, leitor do Jalopnik e autor de um blog cheio de artigos do tipo “como funciona?”, perfeito para você entender um pouco mais de física sem precisar dormir na aula do pré-vestibular.
Quem gosta e acompanha automobilismo já deve ter percebido que os discos de freio nos carros de corrida ficam incandescentes após uma freada muito forte. Mas o que acontece ali para este fenômeno ser observado?
Basicamente, neste tipo de evento há alguns princípios físicos acontecendo. Entre eles, os mais importantes são:
- Radiação térmica;
- Força de Atrito;
- Transformação de energia;
- Calor;
Radiação Térmica
A radiação térmica (também chamada de irradiação térmica) é uma característica comum a todos os corpos que possuem energia térmica e é devido ao corpo possuir temperatura. Ela é composta por ondas eletromagnéticas.
Todo corpo troca calor com o meio, emitindo e absorvendo energia. Quando um corpo está mais quente que o meio, ele irá irradiar mais do que absorver, até atingir o equilíbrio térmico – que acontecerá quando ambos (o corpo e o ambiente) possuírem a mesma temperatura e, consequentemente, irão trocar a mesma quantidade de radiação térmica.
Consequência dessa emissão é que a matéria em estado sólido ou líquido emite um espectro contínuo de radiação, sendo praticamente independente do material que é constituída, mas proporcional à temperatura.
A seguir temos uma imagem de um espectro de radiação eletromagnética:
O olho humano é capaz de perceber ondas eletromagnéticas de comprimentos de onda – λ – na faixa de, aproximadamente, 400 [nm] a 700 [nm] (nanômetros, ou 10-9m), o que corresponde às frequências entre 4,29 x 10^14 [Hz] e 7,5 x 10^14 [Hz].
Um corpo em temperaturas normais (ambiente) emite ondas eletromagnéticas em frequência bem abaixo do limite visível. Estas ondas ficam no infra-vermelho. Ou seja: a esta temperatura o corpo está emitindo ondas eletromagnéticas fora da faixa do visível (isto é, não está irradiando luz)
Quando há o aumento da temperatura de um corpo, ele pode começar a emitir luz (quando a emissão chega aos níveis do espectro visível ao olho humano).
Metais incandescentes emitem luz a partir de uma certa temperatura. Vemos as representações das cores e suas temperaturas na seguinte tabela:
Força de Atrito e Transformação de Energia
O atrito está presente em nosso dia a dia. É ele que nos possibilita, por exemplo, segurarmos um copo.
No automobilismo ele é fundamental: faz com que haja tração entre o pneu e o piso, acelerando e freando o veículo. O atrito é uma força dissipativa, ou seja, transformará energia mecânica em uma forma de energia não-mecânica.
Em nosso caso específico, vamos tratar dos freios de um carro de corrida. O freio irá transformar a energia cinética do veículo em energia térmica nos discos de freio.
Na hora requisitada, as pinças de freio pressionam a pastilha de freio contra os discos. O atrito gerará calor e, se houver energia suficiente, o disco irá brilhar incandescente.
Calor
Calor é energia térmica em trânsito. É a energia térmica que um corpo cede ou recebe. Essa troca de calor pode (caso haja diferença de temperatura) gerar variação da temperatura do corpo e/ou do meio.
Caso não haja mudança de fase, podemos calcular a variação de temperatura de um corpo, devido à variação de energia, sua massa e seu calor específico. Matematicamente temos que:
Onde:
- Q é a quantidade de energia (recebida se for positiva, negativa se for cedida);
- m é a massa do corpo que está recebendo a energia;
- c é o calor específico e depende do material;
- ΔT é a variação de temperatura.
Um exemplo prático de aplicação desta equação e destas teorias é o exemplo a seguir:
Um carro de corrida possui massa de 1280 [kg] e é dotado de quatro discos de freios fabricados com um composto de cerâmica e carbono (Calor específico de 480 [ J . kg -1 . °C -1 ] ) .
Ao final da reta, imediatamente antes da freada para uma curva, o veículo atinge a velocidade máxima de 288 [km/h]. Quando freado, o carro transforma toda a variação de energia cinética em energia térmica pelo atrito dos freios que, antes do início da freada, estavam pré-aquecidos a 260ºC.
Para melhorar a performance de freada, o carro possui um balanço de freio de 60-40 (60% da pressão de freio é na dianteira, 40% na traseira). As massas dos discos de freios são: 2,150 [kg] e 1,745[kg] para os discos dianteiros e traseiros, respectivamente.
Supondo que o carro esteja em trajetória retilínea na hora da freada e a velocidade de tomada da curva seja de 72 [km/h], calcule a temperatura final de cada disco de freio no momento em que o carro começa a fazer a curva (suponha que, durante a freada, não haja tempo suficiente para que os discos de freio percam calor para o ambiente).
Qual é a cor que cada disco adquire?
A ideia geral para este exercício é a seguinte: toda a variação da energia cinética do veículo será transformada em energia térmica nos discos de freio, aumentando sua temperatura.
Para começar, anotamos os dados separados do texto (aproveito e coloco os dados com as unidades do SI*, quando necessário):
- Mc = 1280 (massa do carro) [kg]
- Vi = 288 (velocidade inicial) [km/h] = 80 [m/s]
- Vf = 72 (velocidade final) [km/h] = 20 [m/s]
- Ti = 260 (temperaturas iniciais) [ °C]
- mdd = 2,150 (massa dos discos dianteiros) [kg]
- mdt = 1,745 (massa dos discos traseiros) [kg]
- c = 480 [ J . kg -1 . °C -1 ] )
- Tfd = ? (temperatura final do disco dianteiro)
- Tft = ? (temperatura final do disco traseiro)
Sabendo que a variação da energia cinética do veículo é dada pela expressão:
E, sabendo também, que toda a energia cinética irá se transformar em calor, temos que:
Um ponto fundamental aqui é que temos 4 discos, separados 2 a 2 em relação a sua massa: os dois maiores (e mais pesados) ficam na parte dianteira do veículo, os dois mais leves na traseira. Também temos uma distribuição não-uniforme nas energias distribuidas entre os dois eixos: 60% da energia irá para o eixo dianteiro. Sendo assim, cada um dos dois discos dianteiros receberá 30% da energia, e cada disco traseiro 20%.
Assim, para cada um dos discos dianteiros temos:
Substituindo os valores, isolando a variável da temperatura final, obtemos o resultado:
Logo: Tfd = 930 [°C]
Similarmente podemos obter a temperatura de cada disco traseiro:
Tft = 810 [°C]
Se observarmos a tabela de emissão acima, que relaciona uma temperatura a uma cor, podemos inferir que os freios dianteiros terão um brilho mais próximo do laranja, enquanto que os discos traseiros terão uma cor que se assemelha ao “cereja claro”.
Agradecimento à colaboração dos físicos Marcos Guassi e Daniel Vieira Lopes.
[Texto originalmente publicado no blog do professor Guilherme Rizzo, e republicado com autorização]
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Resumindo:
<img src=http://becauseracecar.org/wp-content/uploads/2011/06/260363_1804721807842_1533780208_31741667_5963758_n-650×433.jpg>
droga, vc foi mais rápido que eu
http://www.youtube.com/watch?v=XsCOEHZ1Szw
Ferrari Fxx demonstrando
Resumindo: porque esquenta.
Isso q eu ia dizer… N formulas e num sei o q, pq ele esquenta… Esse post tá pior q dormir na aula de fisica do pre vestibular
Aprendi mais física nestes 5 minutos de leitura do que em 3 anos de colégio.
Pra você pode até ser. Mas pra quem é aficcionado por cultura automotiva, esse é o tipo de informação que é muito bem vinda pois nos diferencia dos demais. Sem falar em um dos exemplos que os gurys podem dar as suas mães por não saírem do jalopnik: "Mãe tô estudando!!" hehehe
E pensar que tive uma questão sobre calor específico hoje na minha prova de física 2… Nem vou estudar mais, só ficar no Jalop haha
Se for parar bruscamente,a energia promovida pela velocidade vai ter que parar em algum lugar,nesse caso,nos freios,através do atrito
O legal é que eu tô aprendendo física aqui também xD
"por que os freios ficam incandescentes"?
Porra, porque esquenta pra c*…, coloca o garfo no fogão e ve se não fica incandecente…
Ok, vou ir ler o texto…
Exakt.
<img src=http://images2.fanpop.com/images/photos/2700000/patrick-best-photos-patrick-star-spongebob-2746152-338-500.jpg>
Prefiro ficar com a explicação "porque eles esquentam, oras".
Poxa prefiro a explicação do texto. O engenheiro Luiz agradece.
O matemático Marcelo também.
Quem viu o episodio do TorGear aonde o JC testa o aventador na pista e os freio apresentam fadiga ?? parece que o aventador não gosta de pista mesmo o negocio dele é "desfilar" kkkk
e o JC no review do Porsche Carrera GT tentando pronunciar "silicon carbide", um dos materiais utilizados na fabricação destes discos de freio de carbono-cerâmica… só diamante e outros poucos materiais podem riscá-lo.
http://www.youtube.com/watch?v=RFZrzg62Zj0
Desfila tão bem que na pista do Top Gear que botou mais de 2 s em cima da Ferrari Enzo.
ñ é fadiga, é fading, que significa desvanecimento em português.
Quanta complicação, “Porque eles esquentam, oras” sempre me pareceu bastante plausível.
essa tabela que relaciona cor e temperatura é utilizada por ferreiros e também pelos artesãos japoneses que fabricam espadas katanas, há uma temperatura correta p/ o tratamento térmico do metal e transformação dos grãos de ferrita em grãos martensíticos ou austeníticos.
Jalopnik é mais cultura metalográfica pra você! =D
Eu tentei usar essa tabela pra ver se o meu guaxinim assado tava pronto, mas não deu certo
Espero que não tenha passado do ponto…
Eu cheguei a procurar alguma equação simples que dessem estes valores e, ao mesmo tempo, não poderia ser algo muito complexo. Não consegui e tive que "adotar" esses valores conhecidos.
Primeiro auteníticos, depois que abaixa de temperatura vira martensita, ou bainitia, ou perlita fina mesmo.
Muito bom! Parabéns pelo post!
Opa! Valeu!
Também gostei! Volte sempre…
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O cálculo está legal. Porém uma parte da energia cinética é transformada em calor entre os atritos asfalto/pneus.
acho q nesse caso( de um carro de corrida), ela pode ser desconsiderada uma vez que o arrasto dos pneus é bem pouco e outra, ele ensinou a saber quando vai ficar incandescente, se fosse pra ser mais específico, acho q tinha q entrar o raio da roda + pneu, saber o coef. de atrito dos pneus, temperatura, aí sim a explicação ficaria meio chata.
…mas muito bem lembrado!
Sim. Daria para deixar muito mais complexo adotando, por exemplo, a resistência do ar; o esfriamento dos discos com a variação de velocidade, enfim, uma infinidade de variáveis.
Meu foco são alunos do ensino médio, e não teria sentido eu abordar com tanta complexidade. O modelo adotado chega bem perto dos valores reais, mesmo deixando de lado vários pontos.
E acredite: é assim que começamos, de uma forma mais simples, depois questionamos e vamos aprimorando!
Valeu pelo apoio!
Gosto muito de física e aproveito para fazer uma sugestão para o próximo post.
Um exercício de força centrípeta aplicado em carro/curva considerando os atritos pneu/asfalto e a inclinação da curva.
Legal a sugestão! Estava pensando em fazer algo nessa linha, mesmo!
Estou com uns outros posts na fila, mas farei um nessa linha em breve! Provavelmente para a próxima semana!
Obrigado pela sugestão!!
Por favor continue com estes posts
. Eles merecem até ser traduzidos para o Jalop USA. Pra quem gosta de física é muito interessante. A explicação foi muito boa, eu sou leigo e consegui entender. Admiro muito sua profissão , e a iniciativa de colocar um físico para explicar coisas sobre carros no Jalop é simplesmente GENIAL.
Cara…. isso é lindo!!!
Na moral, mesmo que vocês não queiram nem um pouco saber desta explicação, apenas pegue uma caneta e rabisque as fórmulas no canto de um papel e faça o teste de apenas um exemplo similar ao mencionado aki.
Engenharia não é impossível como se pensa, basta tentar e acreditar. Eu veementemente recomendo que todos deveriam fazer, sobretudo os Jalopers, vcs não tem idéia como é legal ver as explicações do Jalop e apenas reconhecer as situações e saber que o que você aprendeu, pode SIM ser aplicado na prática.
Se você se acha um bom entendedor de mecânica e não precisa saber como funciona a física, vc definitivamente precisa estudar pra ver o quanto voce pode multiplicar seu conhecimento em pouco tempo de faculdade, não sou melhor que ninguém, apenas acho que a faculdade muda sua visão em TUDO!
Parabéns pelo post Jalop, nos incentivem a estudar cada vez mais.
Valeu, cara!
A ideia é bem essa mesmo: trazer a física um pouco mais pra perto!
Tentei resolver o "exercício" por conta própria e não deu certo no final… mas pelo menos entendi de onde saem todas essas cores (referentes aos discos e qualquer outra coisa que libere energia luminosa).
E agora tenho um argumento a mais pra querer fazer engenharia na faculdade. \o/
A propósito, o blog é uma maravilha pra quem quer – ou precisa – aprender um pouco de física.
Fala cara, se teve alguma dificuldade nas contas, coloque suas dúvidas no comentário do post no meu blog que eu tento lhe ajudar. (http://rizzofisico.wordpress.com/2012/07/04/discos-de-freio-incandescentes/)
Outra coisa importante é: em relação a " essas cores (referentes aos discos e qualquer outra coisa que libere energia luminosa)" lembre-se que essas cores e temperaturas só são válidas para sólidos e líquidos. Com gases é outra história!
Se não for incomodo, eu lhe agradeço pela oportunidade! Vou apenas formular minha pergunta…
Por essas e outras que nunca prestei vestibular pra Engenharia Mecânica….Se em trocentas aulas de Física na escola não ia nem a pau imagina resolver esse quebre cabeça então….
Vou com a maré "por que eles esquentam, oras…" mais fácil!!!!
Gostei da explicação Científica!
Deixa a explicação para la, só sei q fica lindo o disco acesso
A coisa ta ficando seria aqui, de vez em quando eh bom quebrar um pouco a cabeça
No final das contas, depois de toda a prosopopeia, explicações, fórmulas advindas de anos de estudos, cálculos precisos, significantes compostos feitos a partir de materiais significativamente selecionados e de alta qualidade, a respostas é:
PORQUE ESQUENTAM, façufavô. ASOUAHSUOHSOUHOSHUOSOSHASHAOS
se um xuneiro ver essas imagens de discos incandecentes ele vai quere colocar um led no disco de freio tbm! ¬¬
O que eu acho engraçado é que muita gente aqui fala "Ah não precisa de tudo isso! Fala só que esquenta e pronto!"
Mas quando se parte para o campo dos projetos, modificações, etc (pretenção de grande parte dos Jalopers) esses cálculos são de suma importância (quando se leva a sério um projeto e não o faz com base no empirísmo) para dimensionar corretamente o sistema de freio, assim como vários outros modelamentos são aplicados em outras fases de análise.
Por conta desse pensamento "Ah pra que tanto cálculo, tanta fórmula!" que o nível de preparação no Brasil está tão aquém de outros países.
Pois é, cara. E para quem realmente se interessa em fazer um bom serviço, não é tão complicado (física de ensino médio)!
Sem contar nos "profissionais" que levamos nossos carros (e outros bens)… A maioria se apega ao "jeitinho", ou ao "disse-me-disse" e ficamos reféns de maus profissionais.
É tão lindo ver um post no Jalop e entender simplesmente TUDO que tá escrito… coisa que nem sempre acontece comigo nos posts mais técnicos, como os do Kowalski, várias vezes eu tenho que ler uns trechos 2 ou 3 vezes pra entender hehhee…
Parabéns pelo post!
Cara, muito obrigado!!
A intensão é essa mesmo: fazer de forma mais simples o possível, tendo credibilidade nos resultados!
Vlw!
Muito bom post. E não é tão complicado, se você prestar atenção e já tiver cursado o ensino médio provavelmente vai entender. O problema é que muita gente quando vê muito texto e calculo nem olha pra ver o que está escrito.
Mas basta acompanhar a lógica que qualquer pessoa pode entender.
Espero mais posts assim !
Valeu, Eduardo!
Farei outros!
Se tiver sugestões de assuntos, pode me mandar nos comentários do post (de preferência no blog, que eu sou avisado)
Sim, não é complicado, quem prestou atenção nas aulas de calorimetria e física moderna entende fácil. Não tem como, gearhead precisa entender de física, é intríseco…
Isto é Engenharia, criar modelos teóricos do mundo real e aplicá-los para que os equipamentos desempenhem da forma esperada a sua função.
Esquentar não é a causa dos discos brilharem, é o efeito causado pelo atrito… ou tô errado.
Materiais emitem radiação eletromagnético devido sua temperatura.
O Atrito esquenta o disco.
O metal aquecido a uma determinada temperatura emite radiação na faixa visível do espectro eletromagnético…
Resumindo: esquentar é sim causa da emissão de luz.
É isso…
Como é gostoso desenferrujar os neurônios, geralmente tão anestesiados pela nossa inteligentíssima programação televisiva e internetífera…
Ti ficando doido com os calculos…
Muito bom estes posts!
Será que o Guilherme Rizzo poderia explicar pra gente, como e por quê acontece o brake fade?
Fala cara!
Isso eu realmente não sei muito não.
O que posso adiantar (a nível quase leigo) é que pode ser por:
1º) evaporação do fluido de freio nas linhas hidráulicas (líquido não é comprimível, ou muito pouco comprimível. Gás é bem mais fácil comprimir)
2º) Amolecimento dos materiais atritantes (pastilhas e discos) devido a alta temperatura (com o aumento da temp. aumenta a maleabilidade).
.. Será que tem mais?
Enfim, eu também só sei isso qualitativamente. Quantitativamente ainda não…
Obrigado Guilherme!
Realmente, a explicação que eu já ouvi era sobre a vaporização do fluído de freio dentro das pinças. Isso explica a existencia de diversas especificações para o fluido, com propriedades diferentes. Acho que essa é a resposta mais plausível.
Beleza pura:
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Excelente iniciativa, parabéns.
Só mais uma coisa: "Que macete!"