Arquivos de Categoria para Curiosidades

Discos de freio incandescentes

Quem gosta e acompanha automobilismo já deve ter percebido que os discos de freio nos carros de corrida ficam incandescentes após uma freada muito forte.

Mas o que acontece ali para este fenômeno ser observado?

Basicamente, neste tipo de evento há alguns princípios físicos acontecendo. Entre eles, os mais importantes são:

  • Radiação térmica;
  • Força de Atrito;
  • Transformação de energia;
  • Calor;

Radiação Térmica

A radiação térmica (também chamada de irradiação térmica) é uma característica comum a todos os corpos que possuem energia térmica e é devido ao corpo possuir temperatura. Ela é composta por ondas eletromagnéticas.

Todo corpo troca calor com o meio, emitindo e absorvendo energia. Quando um corpo está mais quente que o meio, ele irá irradiar mais do que absorver, até atingir o equilíbrio térmico – que acontecerá quando ambos (o corpo e o ambiente) possuírem a mesma temperatura e, consequentemente, irão trocar a mesma quantidade de radiação térmica.

Consequência dessa emissão é que a matéria em estado sólido ou líquido emite um espectro contínuo de radiação, sendo praticamente independente do material que é constituída, mas proporcional à temperatura.

A seguir temos uma imagem de um espectro de radiação eletromagnética:

 

O olho humano é capaz de perceber ondas eletromagnéticas de comprimentos de onda – λ – na faixa de, aproximadamente, 400 [nm] a 700 [nm] (nanômetros, ou  10-9m), o que corresponde às frequências entre  4,29 x 1014 [Hz] e   7,5 x 1014 [Hz].

Um corpo em temperaturas normais (ambiente) emite ondas eletromagnéticas em frequência bem abaixo do limite visível. Estas ondas ficam no infra-vermelho. Ou seja: a esta temperatura o corpo está emitindo ondas eletromagnéticas fora da faixa do visível (isto é, não está irradiando luz)

Quando há o aumento da temperatura de um corpo, ele pode começar a emitir luz (quando a emissão chega aos níveis do espectro visível ao olho humano).

Metais incandescentes emitem luz a partir de uma certa temperatura. Vemos as representações das cores e suas temperaturas na seguinte tabela:

Força de Atrito e Transformação de energia

O atrito está presente em nosso dia a dia. É ele que nos possibilita, por exemplo, segurarmos um copo.

No automobilismo ele é fundamental: Ele faz com que haja tração entre o pneu e o piso, acelerando e freando o veículo. O atrito é uma força dissipativa, ou seja, transformará energia mecânica em uma forma de energia não-mecânica.

Em nosso caso específico, vamos tratar dos freios de um carro de corrida. A frenagem irá transformar a energia cinética do veículo em energia térmica nos discos de freio.

Na hora requisitada, as pinças de freio pressionam a pastilha de freio contra o disco. O atrito gerará calor e, se houver energia suficiente, o disco irá brilhar incandescente.

Calor

Calor é energia térmica em trânsito. É a energia térmica que um corpo cede ou recebe. Essa troca de calor pode (caso haja diferença de temperatura) gerar variação da temperatura do corpo e/ou do meio.

Caso não haja mudança de fase, podemos calcular a variação de temperatura de um corpo, devido à variação de energia, sua massa e seu calor específico. Matematicamente temos que:

Onde:

  • Q é a quantidade de energia (recebida se for positiva, negativa se for cedida);
  • m é a massa do corpo que está recebendo a energia;
  • c é o calor específico e depende do material;
  • ΔT é a variação de temperatura.

Um exemplo prático de aplicação desta equação e destas teorias é o exemplo a seguir:

Um carro de corrida possui massa de 1280 [kg] e é dotado de quatro discos de freios fabricados com um composto de cerâmica e carbono (Calor específico de 480 [ J . kg -1 . °C -1 ] ) .
Ao final da reta, imediatamente antes da freada para uma curva, o veículo atinge a velocidade máxima de 288 [km/h]. Quando freado, o carro transforma toda a variação de energia cinética em energia térmica pelo atrito dos freios que, antes do início da freada, estavam pré-aquecidos a 260ºC.
Para melhorar a performance de freada, o carro possui um balanço de freio de 60-40 (60% da pressão de freio é na dianteira, 40% na traseira). As massas dos discos de freios são: 2,150 [kg] e 1,745[kg] para os discos dianteiros e traseiros, respectivamente.
Supondo que o carro esteja em trajetória retilínea na hora da freada e a velocidade de tomada da curva seja de 72 [km/h], calcule a temperatura final de cada disco de freio no momento em que o carro começa a fazer a curva  (suponha que, durante a freada, não haja tempo suficiente para que os discos de freio percam calor para o ambiente).
Qual é a cor que cada disco adquire?
 A ideia geral para este exercício é a seguinte: Toda a variação da energia cinética do veículo será transformada em energia térmica nos discos de freio, aumentando sua temperatura.
Para começar, anotamos os dados separados do texto (aproveito e coloco os dados com as unidades do SI*, quando necessário):
Mc = 1280 (massa do carro) [kg]
Vi = 288 (velocidade inicial) [km/h] = 80 [m/s]
Vf = 72 (velocidade final) [km/h] = 20 [m/s]
Ti = 260 (temperaturas iniciais) [ °C]
mdd = 2,150 (massa dos discos dianteiros) [kg]
mdt = 1,745 (massa dos discos traseiros) [kg]
c =  480 [ J . kg -1 . °C -1 ] )
Tfd = ? (temperatura final do disco dianteiro)
Tft = ?  (temperatura final do disco traseiro)

Sabendo que a variação da Energia cinética do veículo é dada pela expressão:

E, sabendo também, que toda a energia cinética irá se transformar em calor, temos que:

Um ponto fundamental aqui é que temos 4 discos, separados 2 a 2 em relação a sua massa: os dois maiores (e mais pesados) ficam na parte dianteira do veículo, os dois mais leves na traseira. Também temos uma distribuição não-uniforme nas energias distribuidas entre os dois eixos: 60% da energia irá para o eixo dianteiro. Sendo assim, cada um dos dois discos dianteiros receberá 30% da energia, e cada disco traseiro 20%.

Assim, para cada um dos discos dianteiros temos:

Substituindo os valores, isolando a variável da temperatura final, obtemos o resultado:

Logo: Tfd = 930 [°C]

Similarmente podemos obter a temperatura de cada disco traseiro:

Tft = 810 [°C]

Se observarmos a tabela de emissão acima, que relaciona uma temperatura a uma cor, podemos inferir que os freios dianteiros terão um brilho mais próximo do laranja, enquanto que os discos traseiros terão uma cor que se assemelha com “cereja claro”.

Agradecimento à colaboração dos físicos Marcos Guassi e Daniel Vieira Lopes.

Nucleossíntese – Formação de elementos

De que é feito a matéria? De átomos. Formados por prótons, nêutrons e elétrons. E como são fabricados esses átomos? Para responder a esta pergunta, irei abordar o assunto de nucleossíntese.

Big-bang

Primeiro, sem grandes aprofundamentos, vamos aceitar que todos os prótons, elétrons, nêutrons, Deutério (um próton e um nêutron) tenham tido sua origem no famoso Big-Bang (essa história poderá ser contada melhor em outro post específico sobre o assunto). O Trítio (um próton e dois nêutrons) foi confeccionado instantes depois do Big-bang. Em seguida aceitaremos, também, que no universo primordial houveram locais com maior concentração de matéria em determinados lugares dando, futuramente, origem às estrelas.

Estrelas e combustíveis

Estrelas são, em sua essência, grandes reatores de fusão nuclear. Em seu interior (ou núcleo) há uma imensa quantidade de prótons livres (núcleos do átomo de hidrogênio) e nêutrons.

Como a quantidade de matéria é muito grande, a gravidade no núcleo de uma estrela é igualmente grande, fazendo com que a matéria fique bem comprimida em seu interior. Tão comprimida que faz com que um Deutério seja fundido com um Trítio, formando um núcleo de Hélio e liberando um nêutron e muita energia. Essa energia liberada se assemelha a uma explosão, fazendo com que o núcleo da estrela se expanda, equilibrando com a força gravitacional e dando um tamanho constante à estrela.

De maneira similar, uma estrela pode gerar outros elementos. Vai depender do tamanho da estrela (quantidade de matéria), que vai resultar numa gravidade e temperaturas variadas, bem como dos materiais que já tenham sofrido fusão nuclear e estão no interior da estrela.

Sol

Apesar de nosso Sol possuir mais de 99,8% da massa de todo o sistema solar, ele é uma estrela relativamente pequena (quando comparado a outras estrelas). Consequências disso é ter menos massa, uma gravidade menor, um núcleo menos denso e temperatura mais baixa do que outras estrelas maiores.

O principal combustível do nosso Sol é a fusão de núcleos de hidrogênio para formar núcleos de hélio. Isso acontece a uma taxa incrível (cerca de 600 milhões de toneladas por segundo).

Após consumir todo o hidrogênio, o núcleo solar será composto de hélio e a partir desse núcleo e uma temperatura ainda maior (cerca de seis vezes maior do que a atual temperatura), será possível a fusão de três núcleos de átomos de hélio formando um núcleo de carbono.

Após essa fase, nosso sol não conseguirá mais fundir elementos. O Sol passará por algumas fases e acabará “morrendo”, se transformando em uma Anã Branca.

Então, nosso Sol será capaz de transformar núcleos de hidrogênio até em núcleos de carbono, em toda sua vida.

Em estrelas maiores, há outras fases antes de se extinguirem. Estrelas maiores podem, em seus núcleos, continuar sintetizando elementos como Oxigênio, Neônio, Magnésio, Silício, criando elementos até o número atômico Z=26, que é o ferro. Todas as sínteses de materiais por fusão até este material eram exotérmicas. A partir deste elemento, para fundir e resultar em outros núcleos atômicos haverá consumo de energia – que é o contrário do que acontece em um núcleo de uma estrela, que está sempre exalando energia provinda das fusões nucleares. Vale lembrar que são as explosões nucleares (emissões de energia) que mantém o equilíbrio com a força gravitacional (que tende a colapsar a estrela).

Quando a estrela começa a formar os núcleos de átomos de ferro, estes começam a “sugar” energia da estrela e isso faz com que a estrela não se mantenha, ela colapsa. Colapsa e, em seguida, há uma explosão, irradiando matéria onde as fusões continuam a ocorrer! Há muitas partículas livres (prótons, nêutrons e núcleos de átomos) ao redor da estrela sendo ejetados a altíssimas velocidades e a uma temperatura altíssima nos primeiros instantes. E é neste momento que os elementos mais pesados são formados: após o colapso de uma estrela que gera uma supernova.

Os elementos mais pesados que o ferro, até o urânio são formados instantes depois desta explosão da supernova.

Crédito da foto: NASA

Todos os elementos naturais estão dispostos na tabela periódica até o número Z=92 (Urânio), com exceção do Z=43 (Tecnécio) e Z=61(Promécio), que são elementos sintéticos. Todos os elementos com o número atômico acima do ferro (z=26) são formados na explosão de supernovas.

Os elementos com número atômico Z=93 (Netúnio) em diante, até o z=118(Ununoctium) são, também, artificiais.

Obs.: Os elementos aqui ditos artificiais podem aparecer na natureza, providos de supernovas, porém sua meia-vida é muito curta (em relação à idade da Terra, por exemplo). Ficando, assim, difícil de achar estes materiais em nosso planeta.