Vantagem mecânica

Podemos dizer que a maior dificuldade dos motoristas acontece na hora de trocar o pneu do carro. Sabemos que soltar os parafusos da roda do carro não é uma tarefa muito fácil, pois exige um pouco de “força”. Mesmo fazendo uso da chave de roda, ainda assim podemos dizer que é um pouco difícil, pois às vezes os parafusos estão muito apertados.

Em alguns casos, é preciso até mesmo pular em cima da chave de roda para conseguir bambear os parafusos. Assim, percebemos certa facilidade quando pisamos o mais longe possível do eixo de rotação da chave, aumentando, portanto, o torque.

Podemos utilizar outro recurso para desapertar os parafusos: o uso de uma chave de rodas com o cabo maior, que permita aumentar o braço da força e, consequentemente, o torque. Para desapertar os parafusos mais difíceis, os borracheiros costumam encaixar um cano na chave de roda. Depois de tanto esforço inútil, eles aprendem, com a experiência, a aumentar o torque.

Muitas ferramentas que utilizamos no nosso cotidiano reduzem a força necessária para soltar ou apertar porcas, parafusos, cortar fios, etc. Na chave de roda representada na figura abaixo, por exemplo, a força para apertar o parafuso foi aplicada longe do eixo de rotação, que passa pelo ponto O.

Para soltar ou apertar o parafuso da roda com as mãos, sem a chave de roda, precisaríamos de muita força, muito mais do que possuímos. Mas, então, qual é a vantagem de usar a chave de rodas?

Quando utilizamos uma chave de roda para apertar um parafuso, a intensidade da força que ela exerce no parafuso, de acordo com a terceira lei de Newton, é a mesma força que o parafuso exerce na chave de roda. Chamamos de força resistente () aquela que o parafuso aplica na ferramenta, porque representa a força de reação do parafuso a uma força, aplicada diretamente sobre ele pela ferramenta, suficiente para apertá-lo. Já a força que aplicamos na ferramenta é denominada força de ação () ou força potente.

Em Física, definimos a vantagem mecânica (VM) de uma ferramenta, ou de uma máquina, como a intensidade da força resistente () dividida pela intensidade da força de ação (). Matematicamente temos:

Não é prático utilizar dinamômetros para medir a intensidade dessas forças. Por essa razão, vamos definir a vantagem mecânica da chave de roda, por exemplo, com base nas grandezas associadas à estrutura da ferramenta ou do parafuso. Faremos isso com o auxílio do conceito de torque.

O módulo do torque produzido pela força aplicada na extremidade da chave, em relação ao ponto O, é dado por:

τ=F_a.b

Para exercer o mesmo torque com uma força () aplicada diretamente na cabeça do parafuso (ponto P), teríamos:

τ=F_r.r

Como os torques aplicados pela ferramenta e pela mão foram admitidos como iguais, temos:

Finalmente, temos:

Essa expressão pode ser utilizada para determinar a vantagem mecânica em chaves de boca, alicates e chaves de fenda, etc.