Você está dirigindo muito feliz quando, de repente, um cachorro corre para a estrada bem na sua frente. Você tem uma fração de segundo para reagir ao que aconteceu. Quando você pisa no freio, você espera confiantemente que eles vão parar no tempo. Como você pode ter tanta certeza? Porque os freios usam o poder da ciência e, felizmente, na maior parte, a ciência não nos decepciona!

Os carros normalmente freiam de maneira muito controlada usando freios a disco e a tambor instalados dentro de suas rodas. Se você frear muito, os freios e as rodas podem travar. Se o carro ainda tiver força suficiente, ele continua em frente e os pneus trancados agem como freios, esfregando-se contra a estrada. Desnecessário dizer que você não deve parar assim, exceto em emergências – a menos que você queira substituir seus pneus a cada poucas semanas!

A ciência de sistema de freios de carros

Se você está se movendo, você tem energia – energia cinética para ser precisa. A energia cinética é simplesmente a energia que um objeto possui porque possui massa e velocidade (velocidade em uma determinada direção). Quanto mais massa você tem (efetivamente, quanto mais pesado você é) e quanto mais rápido você está indo, mais energia cinética você tem.

Tudo bem, mas e se de repente você precisar parar? Para mudar de mover-se rapidamente para não se mover, você precisa se livrar de sua energia cinética.

Se você está pulando de um avião, a melhor maneira de perder energia é com um pára-quedas. Este saco gigante de tecido se arrasta atrás de você, diminuindo sua velocidade, reduzindo sua velocidade e, portanto, ajudando a se livrar de sua energia cinética. Isso significa que você pode pousar com segurança. Carros de corrida de arrasto e carros de controle de velocidade terrestre também usam pára-quedas para parar, mas, na prática, a maioria dos veículos simplesmente usa freios.

Freios diferentes para máquinas diferentes

De carros e caminhões a aviões e trens, os freios funcionam de maneira semelhante na maioria dos veículos diferentes. Há mesmo freios em turbinas eólicas! Aqui está uma comparação rápida de alguns sistemas de freios comuns.

Bicicleta

Se você andar de bicicleta, você sabe tudo sobre freios. Se você quiser parar de repente, aperte as alavancas de freio no guidão. Cabos finos de metal correndo para as rodas traseiras e dianteiras puxam pequenas pinças, forçando blocos grossos de borracha a pressionarem contra as rodas. Ao fazê-lo, a fricção entre os blocos e as jantes de metal gera calor, reduzindo a energia cinética e parando-o com segurança. Embora a maioria das bicicletas ainda use freios de pinça, alguns usam discos ou freios a tambor.

Freios de veículos

Os freios de carros são componentes de segurança que garantem a parada do veículo com o mínimo de efeitos negativos sobre o veículo e seus ocupantes. (Foto: Car From Japan)

Motocicletas

Motocicletas geralmente têm freios a disco que incluem um rotor e uma pastilha de freio. O rotor é um disco com orifícios (ou ranhuras) montado no lado da roda. Uma pastilha de freio, operada por um cabo hidráulico, atola contra o rotor para desacelerá-lo por fricção. Os orifícios no rotor ajudam a dissipar o calor gerado. Modelos mais antigos ainda usam freios a tambor.

Locomotiva a vapor

Os freios de uma locomotiva a vapor funcionam da mesma maneira que um carro e são ainda mais óbvios. Você pode ver o freio logo atrás do volante nesta foto. Ela prende as rodas motrizes da locomotiva para atrasá-las. Como não há pneus nas rodas, o atrito que pára o trem vem do imenso peso da locomotiva que pressiona as rodas de metal na pista.

Avião

Os aviões têm freios dentro de suas rodas para ajudá-los a parar na pista, mas também podem usar freios a ar para aumentar a resistência ao ar (ar) e diminuir a velocidade – um pouco como os paraquedas. Caças a jato geralmente têm um freio de velocidade, que é uma grande placa de metal logo atrás da cabine que pode ser levantada hidraulicamente para aumentar o arrasto e a frenagem.

Turbina de vento

As turbinas eólicas têm freios para impedir que seus rotores (hélices) girem muito rapidamente. O freio é montado dentro da nacela (a carcaça quadrada atrás da hélice que contém a caixa de engrenagens e o gerador). A maioria das turbinas tem um anemômetro para medir a velocidade do vento. Se ele subir acima de um nível seguro, os freios ligam-se automaticamente e paralisam os rotores. É uma pena, porque velocidades de vento mais altas significam que mais energia poderia ser produzida. Mas a segurança sempre vem em primeiro lugar!

Freios a disco e freios a tambor

Estes dois sistemas de freio merecem destaque, pois são os mais utilizados em veículos terrestres modernos.

Freios a disco

Espreite através da calota das rodas dianteiras de um carro e você geralmente pode ver um disco de metal brilhante apenas dentro. Isso é chamado de freio a disco. Quando o motorista pisa no pedal do freio, um bloco de material resistente se prende ao disco de freio e o esfrega para diminuir a velocidade – de maneira semelhante aos freios de bicicleta.

Freios a tambor

Alguns carros têm freios a disco nas quatro rodas, mas muitos têm freios a tambor nas rodas traseiras, que funcionam de maneira um pouco diferente. Em vez do disco e do bloco de freio, eles têm calçados no interior do cubo da roda oca que pressionam para fora. Quando os sapatos empurram a roda, o atrito diminui sua velocidade.

Um freio a tambor é construído dentro de uma roda e tem dois sapatos resistentes que podem se mover para dentro e para fora, empurrados por pistões dentro de um cilindro. Quando você pisa no freio, o fluido de freio entra no cilindro, empurrando os pistões. Isso bloqueia as sapatas no tambor de freio, fazendo com que a roda pare. Quando os freios são removidos, molas puxam os sapatos de volta para dentro novamente. Um mecanismo de ajuste automático  garante que as sapatas saiam um pouco mais à medida que começam a se desgastar.

Freio de mão de veículos

O freio de mão de um carro aplica os dois freios traseiros (disco ou tambor) de maneira mais lenta e menos potente através de uma alavanca que normalmente fica localizada entre os assentos dianteiros. Quando você puxa o freio, um sistema de alavancas puxa um par de cabos resistentes que aplicam os freios às rodas traseiras. O sistema de freio de mão é completamente mecânico e, ao contrário dos freios de pedal convencionais, não usa fluido hidráulico. Isso significa que pode ser usado (com muito cuidado!) como um sistema de frenagem de emergência se os freios normais falharem.

De que são feitos os freios?

Um carro em alta velocidade tem muita energia e, quando você para, praticamente tudo é convertido em calor nas pastilhas de freio. Os freios podem aquecer a temperaturas de 500 ° C ou mais. É por isso que as pastilhas de freio devem ser feitas de materiais que não derretam, como ligas, cerâmicas ou compósitos à base de carbono. O amianto costumava ser uma escolha popular para pastilhas de freio (e outras peças de automóveis, como embreagens e transmissões), mas não é mais usado devido a seus riscos para a saúde.

Sendo mais lentas e leves, as bicicletas não criam energia cinética como os carros, de modo que os freios não ficam tão quentes ou têm que dissipar qualquer quantidade de energia. Blocos de freio de pinça de estilo tradicional em bicicletas são normalmente feitos de compostos de borracha que pressionam contra o aro de roda de metal (ou fibra de carbono). Os freios a disco de bicicleta tendem a ter discos de aço inoxidável com cerca de 4 a 5 mm de espessura (metais leves como alumínio e titânio também são usados); Os blocos de freio que pressionam contra eles são feitos de compostos de borracha ou materiais à base de carbono, como o Kevlar.

Como funcionam os freios de carros?

Quando o pé pressiona a alavanca do freio, o fluido do freio é puxado de um cilindro estreito, através de um tubo, para um cilindro muito mais largo. Esse sistema, conhecido como hidráulica, aumenta muito a força que você fornece.

Imagine quanta força você precisa para parar um carro em movimento rápido. Simplesmente pressionar com o pé não geraria força suficiente para aplicar todos os quatro freios com força suficiente para levá-lo rapidamente a uma parada. É por isso que os freios usam sistema hidráulico: um sistema de tubos cheios de fluido que pode multiplicar a força e transmiti-lo facilmente de um lugar para outro.

Quando você pressiona o pedal de freio, seu pé move uma alavanca que força um pistão a um cilindro longo e estreito cheio de fluido hidráulico. À medida que o pistão mergulha no cilindro, ele esguicha o fluido hidráulico através de um tubo longo e estreito no final (muito parecido com esguichar uma seringa). O tubo estreito alimenta cilindros muito mais largos posicionados ao lado dos quatro freios do carro. Como os cilindros próximos aos freios são muito mais largos do que o próximo ao pedal de freio, a força que você aplicou originalmente se multiplica muito, apertando os freios com força nas rodas.

Na prática:

Seu pé empurra o pedal do freio.

Quando o pedal se move para baixo, ele empurra a alavanca da classe 2 (um tipo de máquina simples), aumentando sua força de empurrão.

A alavanca empurra um pistão (azul) para um cilindro estreito cheio de fluido de freio hidráulico (vermelho). Quando o pistão se move para dentro do cilindro, ele espreme o fluido hidráulico para fora da extremidade (como uma bomba de bicicleta retira o ar).

O fluido de freio esguicha por um longo e fino tubo até alcançar outro cilindro na roda, que é muito mais largo.

Quando o fluido entra no cilindro, ele empurra o pistão no cilindro mais largo (azul) com uma força muito maior.

O pistão empurra a pastilha de freio (verde) em direção ao disco de freio (cinza).

Quando a pastilha de freio toca o disco de freio, o atrito entre os dois gera calor (nuvem vermelha).

O atrito diminui a roda externa e o pneu, parando o carro.

Isso mostra o princípio básico de um sistema de frenagem hidráulico; na prática, há um pouco mais nisso. O pedal de freio opera, na verdade, quatro linhas hidráulicas separadas que correm para as quatro rodas. Em vez de um único cilindro, geralmente há um cilindro principal (às vezes chamado de cilindro mestre), operado pelo seu pé e o pedal do freio, e então um cilindro secundário (ou cilindro escravo) em cada roda. Ao tornar o cilindro principal menor que os cilindros secundários, podemos amplificar a força de frenagem que o motorista aplica. Finalmente, para maior segurança, os freios hidráulicos normalmente têm dois circuitos hidráulicos separados no caso de um deles falhar.

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