Potência, torque e a hora de trocar as marchas

Muita gente chega ao fórum perguntando sobre como saber a hora certa de trocar as marchas da moto.

A resposta que dei na postagem Qual a marcha correta para cada velocidade? não me deixou satisfeito, então fiz esta explicação visual.

Vou falar de uma moto genérica com números redondos para facilitar, ok?

Vamos lá:

Você sabe que o motor de sua moto tem uma potência de 10 cavalos e um torque de 1 kgf.m. 

O que isso significa?

Em termos simples, potência é a capacidade que seu motor tem de fazer força em um tempo determinado, e torque é justamente a força que ele consegue fazer. 

Seu motor consegue fazer em uma hora o mesmo trabalho que 10 pôneis puxando fardos de alfafa, e seu motor consegue girar uma alavanca de 1 metro com um peso de 1 kg pendurado na ponta. É por aí. 

A potência é mais ou menos proporcional à velocidade com que o motor gira, enquanto o torque é aproximadamente constante ao longo da faixa útil do motor.

Tipo assim:

Explicando o gráfico:

Quando o motor está parado, a potência e o torque são iguais a zero. Sem girar, sem fazer força, não existe potência.

Em marcha lenta, o motor tem o mínimo de potência e o mínimo de torque — se você engatar a primeira e tentar sair sem acelerar, o motor morrerá porque o torque (a força aplicada à roda) não é suficiente para empurrar a moto.

Você precisa atingir uma rotação mínima para o motor ter força suficiente, aí ele atinge o patamar de torque normal, e você pode acelerar até o motor atingir o limite de rotações seguras, que é o início da faixa vermelha do conta-giros ou do velocímetro.

Mas note que no início (baixas rotações) e no final (altíssimas rotações), o motor não se comporta da maneira esperada: outros fatores entram em jogo, basicamente o atrito das peças e a capacidade de expulsar os gases e admitir a mistura ar/gasolina na velocidade em que o motor está girando.

É por isso que a curva de potência cai ao chegar perto do limite do motor, e isso acontece exclusivamente em função do projeto do motor — não tem nada a ver com a velocidade final da moto, porque o motor se comporta da mesma maneira em qualquer marcha e até em neutro.

Existe uma faixa de uso das rotações do motor, e dentro dela uma faixa ideal de trabalho, na qual tudo funciona satisfatoriamente. Abaixo dela, o motor fica fraco para acionar o motor; acima dela, ele não consegue aumentar a velocidade da moto, só está sofrendo desgaste acelerado.

Isso pode ser visualizado desta maneira:

A faixa útil pode ser usada, mas o motor trabalha melhor na faixa ideal. 

Na prática:

Na faixa vermelha inicial, o motor está fraco e tentar mover a moto em primeira marcha fará o motor morrer.

Na faixa laranja inicial, ele ainda não terá força plena, então até conseguirá mover a moto, mas trepidando, no limite de morrer por falta de força.

Acelerando um pouco mais, você entra na faixa verde clara, onde o motor já está mais à vontade. A curva de torque ainda não atingiu o valor máximo.

Na faixa verde escura seu motor está feliz que nem pato na lagoa, só falta abanar o rabo. Ah, você entendeu. 

Na faixa verde clara final, ele já não estará mais tão feliz. A força que ele consegue fazer mal consegue vencer os atritos internos, o fluxo da mistura começa a ficar caótico, o motor começa a se atrapalhar com ele mesmo.

Ao se aproximar do limite, a faixa laranja final, o motor começa a dar sinais claros de que o esforço está sendo grande demais para ele, e progressivamente começa a vibrar mais do que o normal, a esquentar acima do que o vento consegue resfriá-lo, a se desgastar em taxas cada vez mais aceleradas.

Na faixa vermelha final as condições são tão extremas que alguma peça poderá se quebrar ou deixar de executar sua função a qualquer momento, podendo causar uma falha catastrófica do motor — uma mola que não consiga fechar a válvula antes que o pistão suba provocará uma reação em cadeia que destruirá o motor.

Se a moto só tivesse a primeira marcha, ela seria muito forte, mas sua velocidade seria extremamente baixa.

É aí que entra o trabalho do câmbio.

Como funciona o câmbio?

O câmbio é um conjunto de engrenagens, algumas pequenas e outras maiores, que consegue multiplicar o torque (a força) gerada pelo motor.

Pense numa engrenagem de 10 dentes como um conjunto de 10 alavanquinhas presas girando em um eixo — apenas um dente de cada engrenagem faz força de cada vez, e com o giro, o próximo par de alavancas se engrena e assume a função.

Se essas alavanquinhas forem do mesmo tamanho, as duas engrenagens irão girar com a mesma velocidade e a força de uma será transmitida pela outra sem alteração.

Mas se uma engrenagem tiver 10 alavanquinhas dentes e a outra tiver 20, esta última terá um diâmetro maior por causa do maior número de dentes, e aí acontece uma coisa interessante: 

Suas alavanquinhas também serão maiores, e você sabe que com uma alavanca maior você consegue fazer mais força.

Engrenando uma engrenagem de 10 com outra de 30 dentes, a maior girará com um terço da velocidade da menor, mas em compensação conseguirá fazer o triplo de força (torque).

É o caso da primeira marcha: ela é bem reduzida para que o torquinho do motor seja multiplicado para um torque suficiente na roda que seja capaz de empurrar a moto com garupa ladeira acima.

Já a segunda marcha não tem tanta força quanto a primeira (a relação não é tão reduzida), mas o motor também não precisa mais fazer tanta força porque a moto já está com um pouco de embalo.

Em primeira marcha o motor consegue fazer muita força, mas o motor atinge o máximo de rpm e a moto não ganha velocidade. 

Em primeira marcha, bastante reduzida, o motor gira muito e a roda traseira gira pouco; em segunda marcha essa proporção se altera, permitindo que a roda traseira gire um pouco mais rápido. 

A cada marcha mais alta, o motor gira mais livre, acionando a roda traseira cada vez com maior velocidade, fazendo sempre a mesma força conforme o gráfico de torque.

E isso funciona bem, porque depois que a moto pega embalo, é necessário cada vez menos força para ela ganhar velocidade — até a hora em que a resistência do vento começa a pesar.

Em cada marcha, o comportamento do motor é o mesmo do gráfico: fraco no início e no final, feliz da vida na faixa intermediária.

O que pode ser visualizado desta maneira:

É por isso que quando a marcha está muito alta para a velocidade em que você está, seu motor começa a trepidar e pode até morrer.

Ele entrou na faixa de desconforto e fraqueza, que se repete em todas as marchas.

O segredo é manter as rotações do motor sempre dentro da faixa verde, a faixa ideal.

Ao mudar para marchas mais altas, quanto maior a rotação em que você entrega o motor para a marcha seguinte, melhor ele se adapta ao esforço que terá de fazer porque estará dentro do patamar de torque máximo.

E ao reduzir marchas, quanto menor a rotação, menor será o esforço aplicado pela roda para reduzir as rpm do motor. 

Fazendo isso dentro da faixa ideal verde clara / verde escura, o motor se sente muito mais à vontade.

E como saber a velocidade certa, se a moto não tem conta-giros?

Relembrando aquela regra empírica, nas motos 125/150 esses limites são mais ou menos os seguintes:

Velocidade mínima de cada marcha = 10 vezes a marcha:

1ª — 10 km/h (Abaixo disso, você está parando e pode jogar a moto no neutro)
2ª — 20 km/h
3ª — 30 km/h
4ª — 40 km/h
5ª — 50 km/h

Velocidade máxima de cada marcha = 20 vezes a marcha:

1ª — 20 km/h
2ª — 40 km/h
3ª — 60 km/h
4ª — 80 km/h
5ª — 100 km/h (O valor varia um pouco para mais ou para menos em cada modelo)

Motos maiores possuem limites proporcionais ao tamanho do motor, então uma custom de alta cilindrada consegue andar a 20 km/h em 5ª marcha porque o motor é muito potente e sobra torque no motor, mesmo em baixas rotações.

Não sei se ficou mais claro ou mais confuso...

Outras postagens sobre este assunto:

http://minhaprimeiramoto.blogspot.com.br/2014/05/qual-marcha-correta-para-cada-velocidade.html

http://minhaprimeiramoto.blogspot.com.br/2014/09/nao-consigo-perceber-hora-de-trocar.html

http://minhaprimeiramoto.blogspot.com.br/2012/10/pilotar-motos-x-dirigir-carros-parte-i.html

http://minhaprimeiramoto.blogspot.com.br/2012/10/pilotar-motos-x-dirigir-carros-parte-ii.html

Um abraço,

Jeff