V.7. Noções Básicas sobre o uso da Potência e do Torque do Motor. V.7.1. Torque Quando você faz força para desrosquear uma tampa de um vidro de conservas com a mão, se está aplicando torque. O torque é calculado da seguinte forma: T = f.d Onde: T Torque (Kg.f) f força (Kg) d distância (m) Então, por definição, torque é o resultado da força aplicada multiplicado pela distância. O torque é, portanto, a força que produz ou tende a produzir rotação ou torção. Temos, portanto duas variáveis para calcular o torque: a força empregada (em quilogramas) e a distância (em metros) da alavanca em relação ao ponto de aplicação do esforço. Imagine-se tentando soltar uma porca que esteja travada. Você exerce uma força sobre a chave estrela e não consegue girar a porca. Nesse momento, você coloca uma alavanca na outra extremidade, segura essa alavanca no final e aplica a mesma força sobre a chave. Mas dessa vez a porca se solta com facilidade. Por que? Ora, ao colocar a alavanca no fim da chave, se aumentou a distância entre o local a exercer a força e o local onde você está exercendo essa força. Em resumo, aumentou a distância (d). Um exemplo: Digamos que você esteja usando uma chave estrela de 30cm para soltar uma porca. Na ponta oposta da chave, você está aplicando uma força de 5kg. Se aplicarmos à fórmula, temos que o torque que você está aplicando é de 1,5kg/f. Agora, se você colocar uma alavanca na extremidade da chave, que a aumente para 50cm e, aplicar a mesma força de 5Kg, terá (T = 5 X 0,50) 2,5kg/f. Da mesma forma, se quiser aplicar este torque de 2,5kg.f mantendo a chave de 30cm, terá que aumentar a sua força para aproximadamente 8,33kg. Figura 51. Chave fixa de comprimento b, sofrendo um momento (torque) F, atuando sobre um parafuso sextavado. Aplicando essa teoria em um motor, temos que, quanto maior o curso do pistão (entenda-se pelo movimento da biela do ponto morto inferior ao ponto morto superior), maior será o torque gerado por esse motor, devido ao comprimento da biela (alavanca). Como o torque é a força que produz rotação (no caso, do virabrequim), o motor já apresenta torque a partir de sua rotação mais baixa (marcha lenta). Esse torque sobre proporcionalmente à medida que a rotação do motor sobe, atingindo seu pico em
determinada rotação. Se a rotação continuar a subir após o pico de torque máximo, este tende a cair. Por que? O movimento do pistão está relacionado a queima de combustível. Quanto melhor esta queima (explosão), mais energia é gerada para empurrar o pistão para baixo (e gerar a rotação do virabrequim e conseqüentemente gerar o torque). Em uma rotação muito alta, os tempos de admissão e escape diminuem e, com isso, a queima não é tão perfeita, o que gera a perda de torque. Quanto menor for a rotação exigida para se alcançar o torque máximo, mais utilizável é o torque. Portanto, quando aceleramos a moto para atingir a velocidade desejada, estamos usando o torque; quando subimos um morro, estamos usando o torque. Figura 52. A explosão da mistura ar + combustível empurra o pistão (êmbolo) para baixo com uma fora (f), ocorrendo o torque (T) e rotação no Virabrequim (CBT, s/d). V.7.2. Potência Já a potência é a grandeza responsável pela manutenção da velocidade desejada, e o tempo necessário para alcançá-la. Portanto, a potência está relacionada a outras duas grandezas: velocidade e tempo. A potência, é determinada normalmente em cv (cavalo vapor) e tem um valor pré-fixado: 1 cavalo vapor é o equivalente a se suspender 75Kg, a um metro de altura, no intervalo de 1 segundo, ou seja, 1cv equivale à 75kg.m/s. A título de curiosidade, em 1769 o escocês James Watt inventou a primeira máquina a vapor que podia mover rodas. Watt queria demonstrar quantos cavalos sua máquina a vapor podia substituir. Para isso, era necessário saber a potência de um cavalo. Verificou-se que um cavalo podia elevar uma carga de 75 kg a um metro cada segundo, fazendo um trabalho de 75 kgm por segundo. Daí o nome o cavalo vapor. Para calcular a potência, precisamos ter os dados de muitas variáveis. Somente um teste em dinamômetro (a potência efetiva é obtida no volante do motor) pode fornecer com exatidão a potência gerada por um motor. Mas é possível estimar este valor. São diversos cálculos elaborados para se estimar a potência teórica (estimada com
base em propriedades físicas e consumo de combustível), potência indicada (estimada a partir da pressão sobre o pistão e das características dimensionais do motor). Tanto no teste do dinamômetro quanto no cálculo, o resultado é a quantidade de trabalho mecânico fornecido pelo motor em um instante. É desse resultado que se deduz a potência gerada. O trabalho mecânico é sempre composto dos dois fatores: Uma força que se mede em Newtons (N), que atua por impulso (pressão dos gases durante a explosão e em seguida, a expansão derivada dessa explosão) ou por tração; e um deslocamento do ponto de ação desta força. Este deslocamento é medido em metros na direção em que a força provoca o movimento (para baixo, empurrando o pistão). Portanto, a potência está relacionada a velocidade de queima do gases, ao alto regime de giros, e, portanto, ao pouco curso do pistão. E é o produto dos valores destas duas grandezas quem fornece a quantidade de trabalho efetuado, medido em Joules (J). Portanto, a potência é a rapidez com a qual um trabalho é realizado num determinado tempo. TORQUE E POTÊNCIA Para melhor tentar identificar o que é torque e o que é potência, imagine um atleta que corre os 100 metros rasos. Dada a largada, ele começa a tomar velocidade dando pisadas fortes no solo e com isso empurrando o corpo à frente. O que ele está fazendo é usar o seu torque. À medida que ele alcança a velocidade máxima que pode alcançar, as pisadas são mais leves, apenas para mantê-lo em frente naquela velocidade. Nesse momento ele está usando a potência. É possível ter em um motor torque e potência satisfatórios? A resposta é: não! Como vimos, o torque está associado a um curso grande do pistão, a baixa velocidade dos gases na explosão e na exaustão. Já a potência está relacionada a velocidade maior de explosão e eliminação dos gases e esta velocidade está relaciona ao pequeno curso do pistão. Um exemplo disso são os motores automotivos de 1.0 litro. No início tinham pouco mais de 50cv. Hoje em dia, rendem quase o dobro disso. A grande responsável por isso foi a utilização de cabeçotes multi-válvulas. Com mais válvulas, a passagem dos gases é mais rápida, gerando maior trabalho mecânico (impulso). Por outro lado, esses motores se mostram sofríveis no anda e pára do trânsito urbano, pois, justamente pela passagem rápida dos gases, (principalmente na exaustão) que não ficam na câmara o tempo suficiente para empurrar (com toda a força que ele pode gerar) o pistão para baixo. Daí também podemos concluir os motivos pelo qual o motor de 2 tempos é mais potente que o de 4 tempos e este último tem mais torque que àquele (baseando-se em motores de mesma cilindrada). O motor de 2 tempos, por não ter válvulas, suas janelas são abertas e fechadas pelo movimento do pistão. Como a janela de escape fica bem alta, assim que ocorre a explosão, o pistão é imediatamente empurrado para baixo e abrindo a janela de escape. Então os gases escapam antes do que deveriam, o que limita o torque do motor. As válvulas de escape utilizadas em motores mais modernos tentam inibir um pouco este defeito deste tipo de motor, ao fechar parcialmente a janela de escape em baixos giros e abrindo gradualmente a medida que os giros sobem. Estruturalmente falando, temos motores superquadrados, subquadrados e quadrados. Essas terminologias se referem a relação diâmetro X curso do pistão. Quando o diâmetro é maior que o curso (ambos medidos em milímetros), o motor é subquadrado, gerando mais torque; quando o curso é maior que o diâmetro, o motor é superquadrado, gerando mais potência. Um meio termo é o motor quadrado, quando as
medidas de curso e pistão são idênticas (ou muito próximas). Nessa configuração, o motor gera torque e potência, sem ser excepcional em nenhum deles. Outros pontos a serem analisados, são os dados de torque e potência fornecidos pelos fabricantes. Esses dados são apresentados em seus valores máximos para aquele motor. Note que junto com o valor, vem a que rotação o motor alcança aquela grandeza. Aliás, quanto mais plana for a faixa de torque e potência, ou seja, os valores se aproximam do máximo na maior faixas de rotações possíveis, melhores serão as respostas do motor. Figura 53. Curvas características de desempenho de um motor de combustão interna de êmbolos, como os utilizados em tratores agrícolas. A Figura 53 mostra um esquema das Curvas características de desempenho de um motor de combustão interna de êmbolos, similar àqueles que equipam os tratores agrícolas. Sabendo interpretá-la, pode-se economizar combustível durante o uso da máquina, além de proporcionar um incremento em sua vida útil. Observa-se, na Figura 53, que existe um ponto (4) que indica o menor consumo específico de combustível. Isso quer dizer que na rotação do motor correspondente a este ponto é onde se obtém a melhor condição de economia de combustível. No caso do exemplo, tal rotação é de 1850 rpm. A seguir, um exemplo da economia que seria possível obter considerando-se as informações da Figura 53. Quando se toma a rotação de consumo específico mínimo, o consumo horário (ponto 5) é de, aproximadamente, 12 litros de óleo diesel. Por sua vez, na rotação de potência máxima (2300 rpm) o consumo é de 16 litros por hora de trabalho. Isso significa dizer que, num dia de trabalho, com jornada de 8 horas, pode-se economizar 32 litros de combustível, utilizando-se da rotação de menor consumo, efetuando o mesmo trabalho mecanizado. Ao custo de R$ 1,60/litro de óleo diesel, tem-
se R$ 51,20, de economia, ao dia; ou R$6,40/ hora. Considerando-se que um tratar deve trabalhar 1000 horas durante o ano, a economia seria de R$6.400,00, valor este nada desprezível. E o importante é que, essa economia ocorre sem prejuízo da qualidade das operações agrícolas.