A física das bicicletas

A física das bicicletas

Alguns princípios da física podem ser demonstrados através do funcionamento das bicicletas.

Tecnologia

Palavras-chave

bicicleta, mountain bike, torque, amortiguador, travão, engrenagem, braço de alavanca, eixo de rotação, mecânica, fricção, oscilação, vibração, telescópio, técnica, transporte, física

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Cenas

Visão global

  • garfo telescópico
  • freios em V
  • marcha dianteira
  • marcha traseira

Existem vários tipos de bicicleta. Uma delas é a mountain bike, projetada para ciclismo off-road. As bicicletas de montanha têm uma estrutura robusta, rodas grossas, uma grande variedade de marchas possíveis e freios potentes.

A parte mais característica das bicicletas para montanha é o garfo telescópico que absorve as vibrações causadas pelo terreno acidentado. A atual construção de mountain bike é fruto do trabalho de engenharia dos últimos 100 anos.

Sistema de marchas - torque

  • força
  • braço de alavanca
  • coroa de marchas
  • anéis de corrente

O sistema de marchas nos permite pedalar confortavelmente, mesmo subindo um terreno ou pedalando contra o vento. Para entender como a marcha funciona, precisamos estar familiarizados com o conceito de torque.

Para fazer a roda se mover, precisamos de torque. A magnitude do torque depende não apenas da magnitude da força aplicada, mas também da distância do eixo de rotação.
Em outras palavras: o torque é o produto da magnitude da força e do braço da alavanca. O braço da alavanca é a distância entre a linha de ação da força e o eixo de rotação.

Quanto mais a mesma força é aplicada a partir do eixo de rotação, maior será o torque. Um torque maior é necessário não apenas ao pedalar em subidas ou contra o vento, mas também para iniciar a pedalada.

No entanto, uma vez que as rodas giram rápido o suficiente, torna-se bastante desconfortável que os pedais também se movam rapidamente. É quando precisamos ajustar a relação de transmissão usando o sistema de marchas.

A maioria das bicicletas possui dois sistema de marchas: um no eixo traseiro e outro no eixo central. Ao alterar a relação de marchas, os dois sistema de marchas funcionam inversamente: se for necessário um torque grande, temos que escolher uma roda dentada maior no desviador traseiro e um anel de corrente menor na frente.

No entanto, quanto menos torque for necessário, ou seja, quando a bicicleta está indo rápido e sem problemas, a relação de transmissão precisa ser redefinida, devido ao torque gerado pela roda que age como um freio sobre os pedais. É possível reduzir esse torque encurtando o braço da alavanca, ou seja, mudando para uma roda dentada menor no sistema de marchas traseiro.

Freios em V - fricção

  • força transmitida pelo cabo Bowden (F₂)
  • braço de alavanca superior (F₂)
  • força entre o aro e as pastilhas dos freios (F₁)
  • braço inferior da alavanca (F₁)
  • pedal de freio
  • aro
  • braços do freio
  • cabo
  • Parafusos de fixação dos braços do freio

Se queremos que a bicicleta pare, um torque de freagem deve ser aplicado nas rodas. No caso de freios em V, esse torque é garantido pelo atrito gerado entre as pastilhas e o aro. Algumas bicicletas, no entanto, estão equipadas com freios a disco. No caso de freios a disco, o atrito surge entre o disco e a lona do freio. Ao usar esse tipo de freio, uma força maior deve ser aplicada ao disco, pois o diâmetro do disco é menor que o do aro e, portanto, o braço da alavanca também é mais curto.

Quanto mais forte formos comprimir as duas superfícies de contato, maior será a força de atrito. A força de atrito também pode ser aumentada usando superfícies rugosas. A freagem, no entanto, não é tão eficiente se o aro estiver molhado ou com óleo.

Os braços do freio em V são operados pela alavanca do freio através do cabo Bowden. Ao puxar a alavanca, os braços giram em torno dos parafusos de montagem e empurram as pastilhas dos freios contra o aro. O corpo do freio é parado pelo aro, mas o braço da alavanca da força produzida pelo aro é mais curto, portanto, não é possível eliminar o torque criado pelos cabos Bowden. É assim que a força de atrito surge entre as pastilhas dos freios e o aro.

Amortecedor - vibrações amortecedoras

  • mola
  • amortecedor
  • pistão
  • válvula
  • óleo

O garfo telescópico, ou amortecedor, tem uma dupla função. Por um lado, absorve vibrações causadas pelo terreno acidentado, evitando o desconforto e danos aos braços do ciclista. Por outro lado, também garante uma melhor aderência à estrada.

Um garfo telescópico geralmente consiste em uma mola e um amortecedor, que às vezes são montados como um conjunto integrado. A própria mola já seria suficiente para absorver as vibrações. No entanto, devido ao movimento da mola, haveria certos momentos em que a roda mal tocaria o chão, resultando em redução da aderência à estrada.

A capacidade da mola de absorver vibrações é geralmente ajustável. Se a mola estiver muito rígida, a roda continuará batendo na estrada, ou seja, não entrará em contato constante com ela. No entanto, se usarmos uma configuração muito suave, o movimento da mola durará muito tempo, o que também resultará em menos aderência.

Quando se trata de ajustar o amortecedor, o objetivo é absorver toda a energia causada pelas vibrações no menor período de tempo possível. Dentro do amortecedor, o óleo é bombeado por um pistão através de uma válvula. A energia necessária para isso é obtida com as vibrações.

Outro tipo é o amortecedor de ar. No lugar de óleo fluindo por uma válvula, o ar flui de uma câmara para outra. A vantagem está no fato de que é mais fácil ajustar sua resistência. E, devido ao ar comprimido, não há necessidade de molas.

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