Ressonância, oscilação e instabilidade

O que você faria numa situação dessas?

O que causou isso não foi apenas um problema da pista, nem a quebra de algum componente — a moto simplesmente começou a oscilar cada vez mais até sair totalmente do controle.

É o famoso shimmy, a moto está "shimando".

Na verdade, apesar de mais comuns nas esportivas, isso pode acontecer quase com qualquer moto, até em bicicletas, e a qualquer momento — só depende de uma série de fatores coincidentes.

Mas o que causa isso? Possessão demoníaca? Artes do tinhoso?

Negativo. 

É um fenômeno natural chamado ressonância.  

A ressonância ocorre quando vibrações diferentes coincidem em múltiplos de uma das frequências. Com isso elas se somam e se reforçam, se amplificando.

Há diversas vibrações atuando simultaneamente em uma moto: a vibração do motor, as oscilações da suspensão, desbalanceamento das rodas, a turbulência do ar (você não vê, mas atrás de você existe um turbilhão de ar permanente que aumenta e diminui a pressão sobre a traseira da moto).

E a oscilação da maior mola que você encontra em sua moto, o chassi rígido (ou não)... 

O aço parece uma coisa rígida para a força que você consegue fazer, mas ele tem uma certa flexibilidade e se deforma elasticamente (retorna à forma original) quando sofre um grande esforço, tipo passar pelas irregularidades do asfalto. 

Se o projeto permitir uma flexibilidade tal que deixe o quadro entrar em ressonância, você verá cenas como estas (tenha um pouco de paciência, vale muito a pena):

As motos dos anos 60 e 70 atingiram velocidades inalcançadas por suas predecessoras, e ressonância induzida pela pista e pela turbulência do ar à sua volta começou a se tornar um problema.

Ao contrário do que se pensa, a ressonância não acontece apenas em altas velocidades. Ela pode aparecer em velocidades bem mais baixas.

No filme você vê motos entrando em ressonância em velocidades de 50-55 km/h, enquanto em outras ela surge a 135 km/h.

Fatores importantíssimos para a ocorrência desse fenômeno em baixa velocidade são o ângulo da suspensão dianteira e a rigidez do quadro. 

Já viu carrinho de supermercado balançando a roda de um lado para outro?

É ressonância em baixa velocidade devido ao ângulo entre o eixo do pivô e o ponto de contato da roda com o solo. 

Um dos casos de maior repercussão atualmente é a fama de instabilidade em baixa velocidade atribuída a alguns modelos de motos da harley-davidson.

Os modelos Road King, Ultra Classic, Electra Glide e Série FLH foram apontados por alguns pilotos como inerentemente instáveis, podendo entrar em ressonância em velocidades relativamente baixas.

Isso é visto no vídeo acima e no link abaixo, onde é feito um teste comparativo entre motos da harley e da bmw pelos CHiPs (California Highway Patrol), onde nas mesmas condições a harley dança e a bmw não.

O assunto foi divulgado nesta reportagem de uma afiliada da CBS News, assista esse outro vídeo bem interessante lá na reportagem deste link.

A harley, em atitude típica dos fabricantes, nega que a culpa seja de seu projeto de quadro (que não mudou muito desde os anos 60 e 70)...

Imagem: http://www.kpho.com/story/14896060/some-harley-motorcycles-plagued-by-death-wobble-5-16-2011

... mas ao que parece reforçou os quadros das novas motos para torná-los ainda mais rígidos. 

Se os quadros não tinham problema, por que fizeram isso?

Note que a harley afirma que todas as motocicletas podem estar sujeitas a oscilação e instabilidade (o que é verdade) por motivos que nada têm a ver com seus projetos (bem, como direi, ahn... isso é relativo. O vídeo das motos antigas lá em cima deixa evidente que os projetos dos anos 60 e 70 eram mais suscetíveis a esse fenômeno, e hoje ele não é mais tão comum).

Os projetos das motos dos anos 60 e 70 foram melhorados com acertos de quadro, ajustes de molas e amortecedores da suspensão, mudanças de ângulo de cáster (a inclinação do garfo dianteiro), pneus, centro de gravidade da moto, etc. 

E quando ainda assim o problema persiste, instalam-se amortecedores de direção para evitar que pequenas oscilações virem uma instabilidade perigosa. 

Amortecedor de direção: http://en.wikipedia.org/wiki/Steering_damper

No entanto, esse fenômeno é típico de motos leves esportivas. Pela lógica, as grandes e pesadas motos da harley não deveriam ser propensas a esse fenômeno. 

Então por que especificamente esses modelos de motos estariam sofrendo dessa síndrome?

Nossa teoria é que a causa do problema seria a turbulência gerada pelos alforjes laterais somada ao chassi longo, suspensão macia e quadro com frequência ressonante coincidente com a vibração do motor e a induzida pelo vento sobre os alforjes e carenagens.

O centro de gravidade mais para trás das grandes custom V2 tende a anular o peso (massa) da frente, deixando a suspensão dianteira proporcionalmente mais leve. Conheça mais sobre isto nesta excelente postagem do Tite.

Isso facilita a amplificação da vibração gerada pela turbulência sobre a parte traseira da moto: tudo gira em volta do Centro de Gravidade do conjunto moto/piloto. 

Quando esse CG está deslocado para trás, como nas motos custom, o peso sobre a suspensão dianteira é relativamente menor, e a força do vento sobre a grande área dos alforjes rígidos atua com um braço de alavanca em relação ao CG, e a suspensão dianteira com outro braço mais longo. 

É como se fosse uma gangorra com lados diferentes, um mais comprido que o outro, mas no plano vertical. A articulação está no CG da moto e os pontos de aplicação de força nos contatos das rodas com o solo.

Uma pequena vibração lateral na traseira da moto com ponto central no centro de gravidade se torna uma vibração amplificada na dianteira mais leve, multiplicada pelo maior braço de alavanca na frente. 

Isso reforça a oscilação e, se ela não for amortecida e vier a coincidir com a frequência ressonante natural do quadro, tenderá a aumentar cada vez mais.

A ressonância surge em uma determinada velocidade, que varia para cada modelo de moto. 

Mas também existe algo anormal e facilmente corrigível que pode causar grande vibração: o desbalanceamento das rodas.

A moto chega a uma determinada velocidade (nas CG antigas, perto dos 80 km/h) e começa a oscilar. 

Se isso coincidisse com a frequência ressonante do quadro e suspensão da moto, a oscilação se amplificaria; felizmente, não é o caso nas motos pequenas — passou dessa velocidade, a oscilação desaparece. 

Pneus bem calibrados e rodas bem balanceadas eliminam esse grande fator causador de vibração que em motos maiores pode virar oscilação e instabilidade.

Bom, tudo muito bom, tudo muito bem (só que não), você me pergunta o que fazer se de repente descobrir que aquele acessório novo que você instalou (bolha, alforjes laterais, etc.) está fazendo sua moto entrar em ressonância — já que isso nunca aconteceria com uma moto original, nas palavras dos fabricantes. Sei.

Imagine a cena, você na estrada e sua moto começa a dançar cada vez mais rápido. 

A primeira coisa que você pensa é que furou um pneu e a reação natural é levantar tronco e cabeça, o que piora a situação ainda mais.

Agora que você descobriu mais essa manha tinhosa de algumas motos, já sabe a solução:

Você tem de sair da frequência ressonante, acelerando ainda mais (opção arriscada!), ou diminuindo a velocidade na esperança que a instabilidade diminua.

Mas só isso não basta, porque o problema pode evoluir muito rapidamente: 

Para interromper de vez a ressonância, antes que ela chegue a um ponto incontrolável, além de diminuir a velocidade você terá de fazer aquilo que vimos o piloto da Dunlop fazendo:

Deite-se sobre o tanque de combustível — isso aumenta o peso sobre a suspensão dianteira e ajuda a neutralizar a ressonância. 

Um abraço, e espero que você nunca precise usar esta dica,

Jeff