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Fri07252014

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Torque X potência: as diferenças de rendimento

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Ao comparar a evolução dos motores com o passar dos anos, percebemos que os valores de potência aumentaram a patamares jamais imaginados, como exemplo os de 1.0 litro da Fiat (veja matéria da seção Em breve, na sua oficina, da edição de abril deste ano, sobre as evoluções do motor do  Uno Mille).

Vamos saber o por que de ser fácil extrair cavalos, ao contrário do torque, que está diretamente ligado a questões físicas de cilindrada, comprimento de biela, curso do virabrequim, entre outras variáveis.

Como fonte de pesquisa, utilizamos os conceitos apresentados pela instituição internacional How Stuff Works.

O que é torque?

Torque é uma força que tende a rodar ou virar objetos. Por exemplo: É gerado um torque toda vez que é aplicado força usando uma chave de boca. Apertar as porcas das rodas do carro é um bom exemplo. Quando é usada uma chave de roda, acaba por aplicar uma determinada força para girá-la. Essa força cria um torque sobre a porca, que tende a girar sobre o eixo (prisioneiro).

As unidades inglesas de medida de torque são libra-polegada ou libra-pé e a unidade do Sistema Internacional de Unidades (SI) é o Newton-metro.

As unidades de torque têm obrigatoriamente dois componentes coligados: força e distância. Para calcular o torque é preciso apenas multiplicar a força aplicada, pela distância medida entre o ponto de aplicação e o centro do eixo de rotação. No caso das porcas, se a chave tem 1 pé de comprimento e a força aplicada for de 200 libras, logo estará a gerar um torque de 200 libras-pés. Se você usar uma chave de 2 pés, precisará aplicar uma força de 100 libras para gerar o mesmo torque, e assim sucessivamente. É por isso que as borracharias utilizam chaves enormes para soltar as apertadas porcas dos caminhões.

Um motor a combustão cria torque e o usa para girar o virabrequim. Esse torque é criado exatamente da mesma maneira: uma força é aplicada à uma determinada distância.

Veja agora alguns detalhes da formação do torque, sendo que “X” é a distância horizontal de trabalho ou geração de torque:

1º Início do tempo de combustão: O pistão desce e o torque está crescente


2º Metade do tempo de combustão: O pistão continua a descer e o torque aparece plenamente (X= a distância máxima de rendimento entre munhão e moente)


3º Final do tempo de combustão: O pistão termina a descida e o torque diminui gradualmente


A combustão gerada no cilindro cria uma pressão contra a cabeça do pistão, logo essa mesma pressão cria uma força, que o empurra para baixo. A força é transmitida do pistão para a biela e dela para o virabrequim. Na Figura nº 2, note que o ponto onde a biela se liga ao virabrequim está à maior distância do centro do seu eixo. A distância horizontal muda durante a rotação do virabrequim e assim, o torque também muda, já que torque é igual a força multiplicada pela distância.

Você deve estar perguntando por que somente a distância horizontal é importante para se determinar o torque do motor. Quando o pistão está no ponto mais alto de seu ciclo, a biela se posiciona diretamente para baixo, alinhada com o centro do virabrequim. Nenhum torque é gerado nessa posição porque somente a força que atua numa alavanca perpendicular ao eixo, pode gerar torque (seria o mesmo que posicionar uma chave de roda na vertical e subir nela, ou seja, mesmo que fosse possível equilibrar-se em cima da chave, a porca não seria solta).

Nesta situação, não há como o motor gerar torque algum.


Diferenças entre unidades de medidas de torque

As unidades mais utilizadas nas oficinas Brasileiras são o kgfm (quilograma-força metro), e o Nm (Newton-metro). A unidade adotada oficialmente pelo SI (Sistema Internacional de Unidades) é o Newton-metro, correspondendo ao torque provocado por uma força de 1 Newton, exercida a uma distância de 1 metro do ponto de rotação.

O Quilograma-força é uma unidade definida como sendo a força exercida por uma massa de 1 quilograma sujeita à gravidade terrestre. É abreviada como kgf, por vezes apenas kg. Ainda que a força da gravidade varie de ponto para ponto do globo, é considerado o valor padrão de 9,80665 m/s².

Logo 1 quilograma-força metro (kgfm) = 9,80665 Nm

Ou seja, 1 Nm vale quase 10 vezes mais que a unidade de medida kgfm.

Ex: Se o motor de um automóvel entrega 10 kgfm de torque a 5.000 rpm, logo ele entregará 98,066 Nm de torque ou simplesmente 98 Nm, visto as casas depois da vírgula serem desprezíveis quando utilizada esta unidade de medida.

Curiosidades

Apesar de o Newton-metro ser dimensionalmente equivalente a um Joule (unidade do Sistema Internacional de energia e trabalho), esta é uma grandeza escalar, enquanto o momento de uma força é definido como um produto vetorial, sendo assim uma grandeza vetorial.

O quilograma-força nunca fez parte das unidades do Sistema Internacional implementado em 1960 e que possui como unidade de força o Newton. Todavia, já foi uma unidade de medida amplamente utilizada, nomeadamente na indústria aeronáutica (onde indicava a impulsão de foguetes) e automobilística. Hoje em dia ainda é usada por vezes pela Agência Espacial Europeia.

O que é potência?

Potência é a medida de quão rápido um trabalho é executado.

Ex: Usando uma alavanca, você pode gerar um torque de 200 libra-pés, mas será que conseguiria girá-la 3 mil vezes por minuto?

Logo a medida potência é utilizada como referência (e atributo de venda) no universo automotivo para automóveis leves e médios, que possuem a proposta maior de velocidade. Na linha pesada (caminhões e ônibus), o mandatório é o torque.

Podemos fazer a seguinte analogia: imagine um prédio de 20 andares, com duas caixas d’água de 15 mil litros cada. Logo a bomba d’água deverá abastecer as caixas d’água com certa rapidez. A potência pode ser comparada com a velocidade em que a água chegará nas caixas (tempo necessário para a subida). O torque pode ser comparado com a força ou volume de água em que a bomba consegue empurrar até as caixas.

Como no exemplo citado, um motor deverá ter um casamento perfeito entre as unidades torque e potência.

Motores de alto torque não podem ser forçados excessivamente no giro (RPM) devido às limitações físicas como: comprimento de bielas, curso longo do virabrequim, entre outras variáveis que poderiam chegar a ocasionar quebra. Já os motores de alto giro, entregam elevada potência com torque moderado (que estará proporcional a cilindrada), exceto no caso de motores sobrealimentados.

Ex: Um motor a diesel Caterpillar de 12 litros utilizado no caminhão C-12 de 430hp de potência entrega mais de 228 kgfm de torque a apenas 1.200 rpm, enquanto que o motor de um Ford Mustang preparado, de semelhantes 437 hp entregam “apenas” 48,9 kgfm de torque a 5.600 rpm. Isso ocorre porque a distância máxima “X” entre munhão e moente no Ford Mustang é muito menor em comparação ao motor Caterpillar.

Em compensação, o caminhão terá uma velocidade final limitada, ao contrário do veículo, que alcançará altas marcas.

Na Europa as montadoras estão a utilizar o kW (Quilowatt) como unidade de potência. Para chegar aos valores de Quilowatt, basta multiplicar o declarado em cavalo-vapor (cv) por 0,7354988.

Ex: Um veículo de 100cv terá 73,549875 kW ou simplesmente 73,5 kW.


Exemplo de caminhão equipado com motor Caterpillar C-12 que entrega alto torque a baixas rotações


Ford Mustang preparado rende potência semelhante ao motor Caterpillar, porém com rotação cerca de 4 vezes maior e torque 4 vezes menor

Bônus Oficina Brasil

Para obter acesso exclusivo a página de conversão de unidades de medidas (potência, torque, entre outras, acesse a matéria via site no endereço: www.oficinabrasil.com.br)

 

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