A capacidade de tração, de aceleração e de frenagem de uma locomotiva é determinada por um fator físico fundamental denominado de aderência (TAFFNER28, 2013).
Denomina-se aderência à resistência que se opõe ao escorregamento de um corpo metálico que rola sobre outro. Portanto, a aderência é um atrito estático a ser vencido para que haja o deslocamento. Quando há o deslocamento, tem-se um atrito de deslizamento entre as duas superfícies, que é menor que a aderência (TAFFNER, 2013).
A diferença entre a aderência e a força de atrito estático de escorregamento consiste no fato da aderência sofrer a influência do movimento de rotação, o qual faz com que a aderência diminua quando aumenta a velocidade de rotação (TAFFNER, 2013).
Na prática ferroviária, observa-se que a aderência varia com a velocidade e o ponto onde ocorre o seu maior valor é no início de uma patinação, durante a tração, ou de um deslizamento, durante a frenagem.
A força de atrito dinâmico entre duas superfícies secas, não lubrificadas, segue as três premissas abaixo:
Pode-se considerar que essa força de atrito é independente da área de contato das superfícies, dentro de amplos limites;
O valor da força de atrito dinâmico é proporcional à força normal entre as superfícies;
No caso de atrito dinâmico, onde as superfícies estão em movimento, o valor da força de atrito não depende da velocidade relativa entre as superfícies, dentro de certos limites.
28 TAFFNER, Michel. Operação Ferroviária - Notas de Aula. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/18375803/Dinamica-Ferroviaria> Acesso em: 25 abr. 2013.
O processo de frenagem é representado por uma aceleração negativa na relação fundamental mostrada na Equação 2.6:
· 0: çã 0: 2.6
Em que:
F = Força (N) m = massa (kg) a = aceleração (m/s²)
A Figura 2.23 retrata o contato da roda do vagão ou locomotiva com o trilho da ferrovia, mostrando o ponto onde existe atrito entre as partes.
Figura 2.23 - Contato da roda com o trilho (TAFFNER, 2013).
A força de frenagem no trem é produzida pelo atrito da sapata de freio contra a roda, conforme mostrado na Figura 2.24 e depende, portanto, do coeficiente de atrito entre elas, como mostra a Equação 2.7.
· 2.7
Em que:
Fa = força de atrito entre a sapata de freio e a roda (N)
Fl = força líquida de frenagem (N)
Figura 2.24 - Frenagem por atrito (MARTINS, 1999).
Esta força deve permanecer dentro do limite de aderência entre a roda e o trilho para que não haja deslizamento, de modo que nesta condição pode-se dizer que a força de atrito entre a sapata e a roda (Fr) é igual à força de aderência entre a roda e o trilho (Fa).
2.8
Isto permite determinar a demanda de aderência através da relação entre a força de aderência e a parcela do peso do trem correspondente a cada roda, conforme mostra a Figura 2.16, onde o peso do vagão é calculado pela Equação 2.9.
· 2.9
Em que:
Pv = peso do vagão (N)
g = aceleração (m/s²)
Para calcular a força de aderência deve-se levar em consideração o peso do vagão, como mostra a Equação 2.10.
· 2.10
Em que:
Figura 2.25 - Força Retardadora (MARTINS, 1999).
Desta forma, tem-se que:
2.11
Tipos de vagão
Os principais tipos de vagões, utilizados nas ferrovias, são mostrados na Figura 2.26 e Figura 2.27.
Figura 2.27 - Exemplos de Vagões (Modificado de CUNHA, 2011).
São descritos abaixo os principais usos dos variados tipos de vagões:
Vagão Tanque: utilizado no transporte de líquidos como combustíveis, água e produtos químicos;
Vagão Plataforma: utilizado no transporte de cargas de grandes dimensões, containers, toras, etc;
Vagão Fechado: utilizado no transporte de caixas e produtos que devem ser protegidos das intempéries;
Vagão Gôndola: utilizado no transporte de minérios e produtos a granel de alta densidade. Geralmente possui um sistema de descarga inferior ou é adaptado para descarga em girador de vagão (car-dumper);
Vagão Hopper (ou Vagão Tremonha): utilizado no transporte de cargas a granel, com densidade menos elevada. Pode ser aberto ou coberto, dependendo da carga ser resistente ou não à chuva. Possui sistema de descarga inferior através de portas ou tremonhas, acionadas manual ou automaticamente;
Vagão Hopper Tanque: utilizado no transporte de produtos pulverulentos de baixa densidade. Possui escotilhas com tampas na parte superior e portas ou tremonhas para descarga inferior, acionadas manual ou automaticamente;
Vagão Isotérmico: utilizado no transporte de produtos congelados em geral;
Vagão Especial: utilizado no transporte de produtos com características de transporte bem distintas das anteriores.
Velocidade do Trem
Apesar de haver interesse em se trafegar com o trem na maior velocidade possível, verifica-se que a capacidade de frenagem é um dos principais fatores que levam a se estabelecerem limites de velocidade em função das características do trem e da via, principalmente em operações em rampas descendentes (MARTINS, 1999).
Para que o trem pare é necessário que a energia cinética seja dissipada e para isso são usados os recursos dos freios a ar e freio dinâmico em seus limites para que seja possível parar um trem na menor distância possível e de maneira segura. Apesar dos esforços, verificam-se como resultado distâncias normalmente longas, sendo tanto maiores quanto maior for a velocidade do trem no momento do início da frenagem.
Os sistemas de sinalização e a divisão da via férrea em blocos baseiam-se na capacidade de frenagem dos trens que operam no trecho e isto consequentemente depende da adoção de valores limites de velocidade. Portanto, para que as ferrovias estabeleçam limites de velocidade, é necessário conhecer o desempenho dos trens na via. Para trens de carga, as ferrovias brasileiras operam com velocidades que variam na faixa de 36 a 80km/h.