A Física dos Motores Automotivos: A relação entre Velocidade Angular, Torque e Potência.

A Física dos Motores Automotivos: A relação entre Velocidade Angular, Torque e Potência.

Neste post, exploraremos a intrínseca relação entre velocidade angular, torque e potência, e como eles determinam o desempenho dos motores automotivos. Iniciaremos definindo cada uma dessas grandezas, esclarecendo seus significados e unidades de medida, para então analisar como se manifestam no cotidiano, especialmente no funcionamento dos motores automotivos.

Utilizando uma abordagem simplificada e focada nos aspectos físicos, veremos como essas características variam entre diferentes tipos de veículos: carros esportivos, que alcançam altas rotações para extrair máxima potência; carros urbanos, que buscam um equilíbrio entre desempenho e eficiência para a condução diária; e veículos de carga, que se destacam pelo elevado torque necessário para transportar grandes cargas. 

Velocidade Angular ($\omega$)

A velocidade angular, ou velocidade de rotação, é uma grandeza física associada aos movimentos rotativos, movimentos que descrevem trajetórias circulares em torno de um eixo. De forma análoga à velocidade linear, ou velocidade de translação, que mede a variação da posição linear em relação à variação do tempo, a velocidade angular indica quanto uma reta de referência na superfície em rotação muda sua posição angular ($\theta$) em relação à variação do tempo ($t$). Assim, podemos expressar a velocidade angular como

$$\omega = \frac{\Delta \theta}{\Delta t}$$

A unidade de medida da velocidade angular no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o radiano por segundo ($\displaystyle \frac{rad}{s}$), mas no contexto automobilístico, a unidade mais utilizada é a rotação por minuto ($rpm$), que indica quantas voltas completas são executadas em 1 minuto.

Torque ($\tau$)

Assim como a velocidade angular é análoga à velocidade linear nos movimentos de translação, o torque é análogo à força nos movimentos de rotação. O torque indica o esforço necessário para que uma força ($\bf{F}$), aplicada em determinado ponto com posição $\bf{r}$ em relação a posição do eixo de rotação, provoque uma rotação. Vale destacar que o ângulo ($\phi$) entre o vetor força e o vetor posição do ponto de aplicação da força é fundamental para existência de torque. Isto é, as forças ou componentes de forças que são paralelas, têm a mesma direção, ao vetor posição do ponto de aplicação não produzem torque. Assim, podemos expressar o torque em termos do módulo do vetor força ($F$), a distância do ponto de aplicação em relação a posição do eixo, módulo do vetor posição, ($r$) e o ângulo entre esses vetores ($\phi$):

$$\tau = F \cdot r \cdot sen (\phi)$$

A unidade de medida do torque no Sistema Internacional é o Newton-metro ($N \cdot m$), porém, no contexto dos motores automotivos, é comum utilizar a unidade quilograma-força metro ($kgf \cdot m$).

Potência

A potência é uma grandeza que expressa a taxa de transferência de energia ou, de forma equivalente, a quantidade de trabalho realizado por uma força em um determinado intervalo de tempo. Em sistemas de movimento rotacional, a potência pode ser definida como o produto do torque ($\tau$) pela velocidade angular ($\omega$), ou seja:


$$P  = \tau \cdot \omega $$

Nesta equação, a velocidade angular é medida em radianos por segundo ($\displaystyle \frac{rad}{s}$) e o torque, no Sistema Internacional, em Newton-metro ($N \cdot m$). Vale ressaltar que, embora a unidade de potência no SI seja o Watt ($W$), no contexto automobilístico é comum utilizar o cavalo-vapor ($cv$) para caracterizar o desempenho dos motores. Assim, considerando que $1$ $cv$ = $735,5$ $W$, podemos usar a seguinte relação para a potência em unidades de cavalo-vapor:

$$P  =\frac{\tau \cdot \omega}{735,5}$$

Física no cotidiano

 1. SSC Tuatara.   2. Reanult Logan Expression   3.Volvo FH 460 I-Save.

No dia a dia, podemos nos deparar com vários tipos de veículos movidos por motores à combustão. Embora um olhar leigo não perceba, esses veículos não se diferenciam apenas nos aspectos estéticos; os motores possuem propriedades específicas de acordo com a necessidade de cada veículo. Um carro esportivo é caracterizado pela sua capacidade de atingir altas velocidades; um carro urbano precisa de maior consistência para movimentos no trânsito, que exigem acelerações e desacelerações contínuas; já um caminhão ou veículo de carga deve ser capaz de transportar grandes quantidades de massa por longas distâncias.

Assim, para cada necessidade, existe uma relação indissociável entre a velocidade angular, o torque e a potência. A seguir, discutiremos essa relação para cada situação. Mas, antes, vamos analisar onde encontrar cada uma dessas grandezas produzidas pelo motor automotivo.

O motor à combustão

Motor de combustão interna. Disponível em: <https://mundoeducacao.uol.com.br/quimica/funcionamento-motor-combustao-interna.htm>.

De uma maneira muito simplificada, o funcionamento de um motor à combustão ocorre quando há uma reação química entre o combustível e o comburente (geralmente o oxigênio), a qual é iniciada ou sustentada pelo calor. Essa reação libera energia, que é transferida por meio de um complexo sistema mecânico para as rodas, provocando o movimento do veículo. Ou seja, há uma transformação da energia química em energia cinética.

Assim, conforme vimos na definição de potência, nesse contexto, podemos perceber que ela representa a capacidade do motor de converter rapidamente energia química em energia útil, isto é, em movimento. Assim, quanto mais energia química o motor conseguir converter em energia cinética em um mesmo intervalo de tempo, mais potente ele será.

Por sua vez, o torque, de forma simplificada, é a capacidade do motor de rotacionar o virabrequim, um componente do veículo que provoca o rolamento das rodas; quanto maior o torque, mais facilmente o carro se movimentará. Já a velocidade angular é simplesmente a velocidade de rotação do virabrequim. Vale ressaltar que a relação entre o torque e velocidade angular não é linear, ou seja, a velocidade angular não aumenta proporcionalmente ao torque, nem o contrário.

Carros esportivos

As altas velocidades atingidas pelos carros esportivos só são possíveis graças aos motores projetados para essa finalidade. Em termos de torque, velocidade angular e potência, os carros esportivos geralmente apresentam as seguintes características:

Torque: os motores de carros esportivos desenvolvem torque moderado em baixas rotações, mas esse torque tende a aumentar significativamente à medida que a rotação do motor aumenta.

Velocidade de Rotação: Os componentes do sistema mecânico são projetados para operar em altas rotações por minuto,  na faixa de 5000 - 7000 rpm, aproveitando ao máximo o aumento de torque nessas faixas elevadas. 

Potência: A potência tende a atingir valores elevados, em torno de 200+ cv. Essa alta potência é conseguida principalmente devido à capacidade de operar a altas rotações, mesmo que o torque não seja o mais alto em rotações mais baixas.

Carros urbanos


Por outro lado, os carros urbanos são projetados para causar conforto na condução e suavidade nas acelerações e desacelerações. Assim, os motores dos carros urbanos geralmente apresentam as seguintes características:

Torque: Motores de carros urbanos buscam um equilíbrio, oferecendo torque suficiente para uma boa resposta em baixas e médias rotações.

Velocidade de Rotação: Geralmente, esses motores operam em uma faixa intermediária de rotações ( 2000 - 4000 rpm).

Potência: A potência é moderada (70 - 150 cv) para proporcionar uma condução econômica e ágil no trânsito urbano, sem a necessidade extrema de altas rotações.

Veículos de cargas

Na contramão dos carros esportivos, os motores dos veículos de cargas são projetados para serem capazes de transportar grandes quantidades de cargas sem a necessidade de atingir altas rotações. Desse modo, as características gerais dos veículos de cargas são:

Torque: Para veículos de carga, é muito importante um torque elevado, especialmente em baixas rotações, para possibilitar o movimento de cargas pesadas e superar subidas com segurança.

Velocidade de Rotação: Os motores de caminhões são projetados para operar em faixas de baixa a média rotação (1000 - 3000 rpm), o que favorece a entrega de alto torque.

Potência: Embora a potência total possa ser menor em comparação com motores esportivos, o destaque está na eficiência de conversão do torque em força útil para mover grandes cargas.

Bibliografia e sugestões de leitura e vídeos

COMPRECARTV. Potência ou Torque? Explicação simplificada. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=aAM8383XQfM>.


CHAUDHARY, U. Braking distance formula & my experience on the skid pad. Team-BHP.com, 25 jul. 2022.


FÍSICA COM DOUGLAS. Motores de carro: diferença e relação entre torque e potência. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=e5R3SdJk0Zc>. 


HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de física. 8ª ed. Rio De Janeiro: Ltc, 2009. v. 1

NUSSENZVEIG, H. M. Curso de Física Básica. 1, Mecânica. São Paulo, Brasil: Blucher, 2018.


RODAS, Q. Qual a diferença entre a potência e o torque no desempenho do carro. Disponível em: <https://quatrorodas.abril.com.br/auto-servico/qual-a-diferenca-entre-a-potencia-e-o-torque-de-um-motor>.


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