• Torque x Potência - Princípios

    Vi esse texto num site e achei bem legal, então tomei a liberdade de traduzir pra ficar acessível para todos aqui no fórum. Pra quem preferir ver o texto original ele tá nesse link: http://to4r.com/techarticle.php?id=8

    Agradeço ao Jow que ajudou na revisão do texto. Espero que curtam!

    [ ]´s
    Gouvea


    ------------------------------------------------------------------

    Torque x Potência - Princípios
    Autor: Bruce Augenstein

    Tem havido uma certa discussão sobre os conceitos de cavalo-vapor e torque, como se relacionam, e como se aplicam em termos de desempenho do automóvel. Eu observei que, embora quase todos que participam do fórum tenham uma paixão por automóveis, há uma variação enorme no conhecimento. Para acabar com as dúvidas e divergências montamos o texto abaixo. Serve como uma introdução ao assunto.


    FORÇA, TRABALHO E TEMPO
    Se você tiver um peso de 1 libra parafusado ao chão, e tentar levantá-lo com 1 libra de força (ou 10, ou 50 libras), você terá aplicado a força, liberado energia, mas nenhum trabalho terá sido feito. Se você desparafusar o peso do chão, e aplicar uma força suficiente para levantar o peso 1 pé do chão, então 1 pé-libra de trabalho terá sido realizado. Se esse evento levar 1 minuto para ser realizado, você estará fazendo o trabalho na taxa de um pé-libra por minuto. Se levar 1 segundo para realizar a tarefa, o trabalho então estará sendo feito na razão de 60 libras-pés por minuto, e assim por diante.

    Com o objetivo de aplicar estas medidas aos automóveis e ao seu desempenho (esteja você falando de torque, cavalo-força, watts, ou qualquer outra medida), você precisa dirigir-se à essas três variáveis: força, trabalho e tempo.

    Algum tempo atrás, um cavalheiro com o nome de Watt fêz algumas observações, e concluiu que um cavalo de porte médio poderia executar o trabalho em uma taxa suficiente para levantar um peso de 550 libras a 1 pé de altura, em 1 segundo, executando desse modo o trabalho na taxa de 550 libras-pés por segundo, ou 33.000 libras-pés por minuto. Publicou então aquelas observações, e declarou que 33.000 libras-pés por minuto de trabalho eram equivalentes ao poder de um cavalo, ou, um cavalo-força (horsepower). Todos concordaram.

    Para finalidades desta discussão, necessitamos medir unidades de força dos objetos giratórios tais como o virabrequim, assim nós usaremos os termos que definem uma força de torção, tal como o torque. 1 pé-libra do torque é a força de torção necessária para suportar um peso de 1 libra em uma barra horizontal sem peso, a 1 pé do ponto de apoio.
    Visualize esse peso de 1 libra em uma barra horizontal sem peso, a 1 pé ponto de apoio. Se nós girarmos esse peso para uma volta completa contra uma resistência de 1 libra, nós teremos movido um total de 6,2832 pés (Pi x um círculo de 2 pés), e, incidentalmente, nós teremos feito 6,2832 libras-pés de trabalho.

    Ok. Lembra do Watt? Disse que 33.000 libras-pés por minuto de trabalho eram equivalentes a 1 cavalo-força (HP). Se nós dividirmos 6,2832 libras-pés de trabalho que nós fizemos por volta desse peso por 33.000 libras-pés, nós chegamos a conclusão que 1 pé-libra do torque a 5252 RPM é igual a 33.000 libras-pés por minuto de trabalho, e é o equivalente a 1 cavalo-força. Se nós movermos esse peso a 2626 RPM, é o equivalente a 1/2 cavalo-força (16.500 libras-pés por minuto), e assim por diante.

    Consequentemente, a seguinte fórmula aplica-se para calcular potência vinda de uma medida de torque:



    Isto não é algo discutível. É dessa forma que ocorre. Ponto.


    O ARGUMENTO PARA O TORQUE
    O que isso tudo significa quando falamos de carros?

    Primeiramente, da perspectiva de um motorista, torque, para usar o termo simples, COMANDA. Qualquer carro, em qualquer marcha, irá acelerar em uma taxa equivalente à sua curva de torque (desconsiderando o aumento da resistência do ar e de rolagem conforme a velocidade aumenta). Uma outra maneira de dizer isto é que um carro irá acelerar mais rápido no seu pico de torque em qualquer marcha, e não irá acelerar tão rápido abaixo desse pico, ou acima dele.

    O torque é a única coisa que um motorista pode sentir, e a potência (horsepower) é como uma medida esotérica nesse contexto. 300 libras-pés de torque aceleram tão rápido em 2000 RPM como se você tiver esse mesmo torque em 4000 RPM na mesma marcha, contudo, pela fórmula, a potência seria o dobro a 4000 RPM. Consequentemente, a potência não é particularmente significativa do ponto de vista do motorista, e os dois números "se cruzam" somente em 5252 RPM, aonde potência e torque sempre são os mesmos.

    Em contraste com a curva de torque, a potência cresce rapidamente com o RPM, especialmente quando os valores de torque estão subindo também. A potência continuará a subir, entretanto, até bem após o pico do torque, e continuará a aumentar enquanto o giro do motor aumenta, até que a curva do torque comece realmente a despencar, mais rapidamente do que o giro do motor cresce. Entretanto, como já dito, a potência não tem nada a ver com o que o motorista sente.

    Não acredita?

    Muito bem. Pegue seu carro não-turbo (o 'lag' de turbo atrapalha os resultados) no seu pico de torque na primeira marcha, e pise fundo. Observe a pressão do banco nas costas. Agora leve o giro do motor ao pico de potência, e pise fundo novamente. Percebe que a pressão do banco nas costas é menor? Ok. Agora que nós estamos todos na mesma sintonia podemos prosseguir.


    O ARGUMENTO PARA CAVALOS-FORÇA
    Se o torque é tão importante por que nós nos importamos com potência?
    Porque (para citar um amigo), "é melhor ter o torque em alto RPM do que em RPM baixo, porque você pode aproveitá-lo melhor, trocando as marchas."


    Para usar um exemplo extremo, vou deixar o carro de lado por um momento, e usarei uma roda d´água que andei observando um tempo. Imagine uma roda bem maciça (construída há uns 200 anos), girando vagarosamente em um eixo que está ligado aos trabalhos dentro de um moinho de farinha. Baseado em algumas informações que o pessoal do moinho me passou, eu pude determinar que a roda gera aproximadamente 2600(!) libras-pés de torque. Eu cronometrei sua velocidade, e descobri que ela gira a aproximadamente 12 RPM. Se nós enganchássemos essa roda por exemplo às rodas de um carro, esse carro iria de zero a doze RPM em um piscar de olhos, e o roda d´água mal notaria.

    Por outro lado, 12 RPM nas rodas de um carro dão ao redor de 1 milha por hora para um carro médio, e, para ir mais rápido, é necessário aumentar a marcha. Se você se recordar das suas aulas de ciência no colégio irá se lembrar que aumentar ou diminuir a marcha lhe dá aumento de velocidade e diminuição da força, e vice-versa. Para chegar a 60 milhas por hora precisamos aumentar a marcha da saída da roda d´água 60 vezes, que resultaria em 43 libras-pés de torque na saída (1/60 do torque direto da roda). Esta não é somente uma quantidade relativamente pequena; é menos do que o que o carro médio necessita a fim chegar a 60 milhas por hora. Aplicando a fórmula da conversão:




    Praticamente 6HP.
    OOPS. Agora nós vemos o resto da história. Enquanto é claramente verdadeiro que a roda d´água pode exercer muita força, sua potência (habilidade de fazer o trabalho sobre o tempo) é severamente limitado.


    NA ARRANCADA
    Voltando ao mundo dos carros, vejamos alguns exemplos de como potência faz uma diferença fundamental em quão rápido um carro acelera, apesar do que o torque diz. Um exemplo muito bom é comparar um Corvette LT-1 (construída de 1992 a 1996) com o último dos Vettes L98, construído em 1991. Veja os dados:



    Motor Pico de HP @ RPM Pico de Torque @ RPM

    L98 250 @ 4000 340 @ 3200
    LT-1 300 @ 5000 340 @ 3600


    Os carros são essencialmente idênticos (câmbio, pneus, etc.) à exceção da mudança do motor, por isso é uma comparação excelente. Do ponto de vista do piloto, cada carro irá colá-lo no banco com a mesma autoridade - pelo menos ou perto do pico de torque em cada marcha. Um tenderá a sentir a aceleração tão rápido quanto o outro piloto, mas o LT-1 será significativamente mais rápido do que o L98, mesmo que ele não puxe mais forte. Se nós usarmos a fórmula, podemos começar a descobrir exatamente porque o LT-1 é mais rápido. Está aqui uma outra fatia nesse cálculo do torque e dos cavalos-força:





    Jogando alguns números para a fórmula, podemos ver que o L98 está gerando 328 libras-pés de torque em seu pico do potência (250hp @ 4000).





    Nós podemos também inferir que o L98 não pode gerar mais do que 263 libras-pés de torque em 5000 RPM, ou estaria gerando mais que 250hp nesse RPM, e seria assim rated. Na realidade, o L98 está fazendo provavelmente não mais do que 210 libras-pés ou algo assim em 5000 RPM, e qualquer um que possui um L98 trocaria de marchas ao redor 46-4700 RPM, porque tem mais torque disponÃ*vel na marcha seguinte nesse ponto. Já o LT-1 está feliz gerando 315 libras-pés em 5000 RPM (300hp x 5252, sobre 5000), e vai feliz até a sua redline nos 5,5k.


    Assim, em uma arrancada, os carros sairiam mais ou menos juntos. O L98 talvez ainda teria uma vantagem ligeira devido a seu pico do torque ocorrer um pouco mais cedo na escala de giro, mas isso é discutível, já que o LT-1 tem uma curva de torque mais larga, mais plana. Mas em algum momento dentro do giro médio para alto, o LT-1 começaria a ter vantagem. Onde o L98 tem que jogar a segunda marcha (e abrir mão do torque para ganhar a velocidade ( lembre-se da roda d´água), o LT-1 tem ainda em torno de outros 1000 RPM para ir na primeira marcha, e começa assim a ampliar sua vantagem, mais e mais conforme as marchas vão subindo. Sempre que os giros estiverem altos, o LT-1, pela definição, tem uma vantagem.


    Há inúmeros exemplos deste fenômeno. O Integra GS-R, por exemplo, é mais rápido do que o seu irmão Integra, não porque acelera mais forte (não), mas porque acelera mais “longe”. Não parece mais rápido, mas é.

    Um exemplo final requer sua imaginação. Imagine um motor LT-1 de modo que ainda possua um pico de torque de 340 libras-pés em 3600 RPM, mas, em vez da curva cair para 315 libras-pés a 5000, nós estendemos a curva do torque tanto que ela não cai de 315 libras-pés até 15000 RPM. Ok, nós precisamos ter virtualmente todas as peças móveis feitas de "unobtanium", e algum tipo de super turbo para manter o boost elevado à alto RPM e evitar a queda da curva, mas hey, é só nossa imaginação.

    Se você colocasse esse seu super carro para competir com um LT-1 original, os 2 sairiam juntos, mas, em algum lugar em torno de 60 pés da linha de largada, o LT-1 original começaria a ficar para trás, e teria que jogar logo a segunda marcha depois disso. Não muito depois disso, você veria em seu espelho que o LT-1 original jogou a terceira marcha, e pouco depois a quarta, mas você não pode ver direito devido à distância entre você e ele enquanto cruzou a linha de chegada, ainda na primeira marcha, e acelerando como louco.


    Eu comecei uma simulação de computador que recria um LT-1 Vette em uma passagem de quarto de milha, e prevê um tempo de 13.38s ET, em 104.5 mph. É bem próximo (realmente um pouco conservador) ao que um LT-1 original pode fazer com densidade do ar de 100% em uma pista com ótimo grip. Entretanto, nosso carro modificado, apesar de colar o piloto no banco com a mesma intensidade do LT-1 original (no pico de torque) faz o mesmo quarto de milha em 11.96, em 135.1 mph - tudo na primeira marcha, naturalmente. Não puxa mais forte, mas com certeza puxa por muito mais tempo. E gera também *900hp* a 15000rpm. Claro, falando de velocidades finais a história é mais simples.


    NO DESERTO DE SAL DE BONNEVILLE
    Analisando agora a velocidade final, a potência ganha novamente, no sentido de que gerar torque em giros mais elevados significa que você pode usar uma engrenagem mais dura para qualquer velocidade do carro, e ter um torque mais eficaz (e assim mais empuxo) nas rodas do carro.

    Finalmente, operando no pico de potência, você está fazendo o melhor possível em qualquer que seja a velocidade do carro, medindo o torque nas rodas do carro. Eu sei, eu disse que aceleração segue a curva de torque em qualquer marcha, mas se você fator na engrenagem contra a velocidade do carro, o pico do poder é *it*. Eu usarei como exemplo um BMW:

    No pico do torque de 4250 RPM, uma BMW E36 M3 3.0 litros está a aproximadamente 57 mph na terceira marcha, e, como mencionado previamente, irá acelerar mais rápido possível nessa marcha nessa velocidade quando você pisar fundo, descontando a resistência do vento e de rolagem. De fato (ignorando as perdas de conjunto de transmissão e a inércia rotatória), as rodas traseiras estão recebendo 1177 libras-pés do torque jogadas nelas a 57 mph (225 libras-pés, x a relação da terceira marcha de 1.66:1, x a relação da última marcha 3.15:1), então o carro irá acelerar muito bem obrigado.

    Entretanto, se você re-escalonasse as marchas de modo a deixar o motor em seu pico do potência a 57 mph, você teria que mudar aproximadamente a relação final para 4.45:1. Com essa relação final da instalada, você estaria em 6000 RPM na terceira marcha, e o motor estaria gerando 240hp. Relembrando nossa fórmula, você pode verificar que o motor está para baixo de 210 libras-pés do torque nesse ponto (240 x 5252 / 6000). Entretanto, fazendo a aritmética (210 libras-pés x 1.66 x 4.45), você pode ver que você está recebendo agora 1551 libras-pés do torque nas rodas traseiras, tendo uma aceleração 32% mais satisfatória.

    Qualquer outro RPM (à exceção do pico de potência) em determinada velocidade obterá um valor de torque mais baixo nas rodas. Isto vale para qualquer carro no planeta, assim, você começa a melhor aceleração possível em qualquer velocidade quando o motor está em seu pico de potência, e, a "melhor" velocidade final (teoricamente) ocorrerá sempre quando um veículo está operando em seu pico potência.


    FORÇA, TRABALHO E TEMPO
    Neste momento, se você visualiza que trabalho sobre o tempo é sinônimo de velocidade, e conforme a velocidade aumenta também aumenta a necessidade de potência, você está certo.

    Pense sobre isto. No início, nós dissemos que 300 libras-pés de torque em 2000 RPM colarão você no banco do carro tão forte quanto os 300 libras-pés em 4000 RPM na mesma marcha - contudo a potência será o dobro em 4000rpm. Agora vamos olhá-la por outro ângulo: Você NECESSITA do dobro potência se você quiser colar no banco do carro no dobro da velocidade. Assim que você insere velocidade na equação, potência (horsepower) é "a coisa" que usará como medida. É uma medida direta do trabalho que está sendo feito, ao contrário de uma medida direta da força.

    O torque determina a intensidade da aceleração, e a potência (HP) determina a velocidade em que você pode apreciar essa potencialidade. Você quer sentir colar no banco do carro quando acelerar com ele parado? Isso é torque. A roda d´água lhe fornece isso, nas pás. Você quer sentir colar no banco do carro na quarta marcha a 100 mph numa reta enorme de um circuito? Você precisa de potência (hp). De fato, ignorando a resistência do vento e da rolagem do carro, você precisa exatamente 100 vezes a potência se você quiser colar no banco do carro a 100 milhas por a hora quanto essa roda d´água o fez até 1 milha por hora.

    "MODERNIZANDO" o SÉCULO 18
    Ok, um último exemplo. Vamos tirar essa roda d´água do moinho, e colocar o motor da BMW E36 M3 em seu lugar. Sabemos que nenhum motor 3 litros BMW gera 2600 libras-pés do torque (exceto possivelmente por um único e glorioso instante, funcionando com nitrometano). Entretanto, supondo que precisemos de apenas 12 RPM para o eixo da entrada do moinho, podemos botar pra funcionar o motor a 6000 RPM (rotação em que ele gera 210 libras-pés de torque), e ligarmos numa caixa redutora com saída de 12 RPM, usando um jogo da engrenagem de 500:1.

    Resultado? Temos *105,000* libras-pés de torque para brincar. Nós poderíamos provavelmente torcer o moinho de farinha inteiro em torno do eixo da entrada, se quiséssemos.

    A ÚNICA COISA QUE VOCÊ NECESSITA REALMENTE SABER
    Para qualquer nível de torque, fazendo-o a um giro mais rápido significa aumento de potência - e agora nós todos sabemos exatamente o que isso significa, não é? Repita comigo: "É melhor gerar torque em RPM elevado do que em RPM baixo, porque você pode tirar vantagem na troca de marchas."

    Obrigado pelo seu tempo.