Volante de inércia

O volante de inércia é uma roda pesada que armazena energia enquanto gira. Absorve o excedente quando o acionamento empurra com força e devolve-o quando o impulso enfraquece, de modo que a máquina mantém uma velocidade mais regular. Os exemplos mais antigos são provavelmente seixos perfurados do vale do Jordão, com cerca de 12 000 anos, que serviam de cossoiros.

O que é

Um volante de inércia é uma roda tornada pesada de propósito e fixada a um veio, de modo que os dois giram juntos. Uma vez lançado, opõe-se a qualquer mudança de velocidade: são precisos vários empurrões para o pôr a andar e continua a girar quando se deixa de empurrar. Uma máquina aproveita isto para transportar energia de um esforço para o seguinte, e assim um acionamento irregular ou uma carga desigual dão uma rotação bastante uniforme.

Muitas máquinas têm um. O cossoiro mantém o fuso de mão em movimento enquanto torce a fibra, a roda pesada da roda de oleiro mantém o barro a girar entre dois pontapés, e as rodas de ferro fundido das máquinas a vapor e dos motores de combustão interna mantêm a rotação regular da cambota de um impulso do êmbolo ao seguinte.

Um sarilho de mina do tipo que Georgius Agricola descreveu em 1556 usa-o numa forma simples. Um homem faz girar com uma manivela um tambor de madeira onde se enrola a corda, e a outra ponta do tambor leva uma grande roda de raios lastrada com chumbo. Segundo Agricola, essa roda substituía um segundo homem.

Como funciona

O peso está no aro; os raios ficam leves.

Uma roda que gira guarda energia no movimento da sua massa, e o que mais conta é a velocidade: ao dobro da velocidade contém quatro vezes mais energia. O sítio onde está a massa também importa. Longe do eixo, a matéria desloca-se mais depressa do que perto dele, pelo que, com o mesmo peso, um anel fino armazena o dobro de um disco maciço do mesmo diâmetro. É por isso que os volantes têm um aro pesado e raios leves, e que o chumbo preso longe num raio rende mais do que o mesmo chumbo perto do tambor.

A força que faz girar uma manivela raramente é uniforme. Quando uma biela aciona a manivela, como num motor, fica alinhada com ela duas vezes por volta, e nesses dois pontos mortos o seu impulso não consegue fazê-la girar de todo. Numa máquina de simples efeito, o vapor ou o gás empurra só uma face do êmbolo, e o veio tem de ser arrastado durante os cursos que não produzem trabalho. Numa máquina a vapor de duplo efeito, o vapor empurra alternadamente cada face e todos os cursos trabalham, mas a força de rotação sobe e desce em cada volta e anula-se nos pontos mortos. A carga também varia, como quando um balde balança ou uma serra encontra um nó. Enquanto o acionamento dá mais do que a carga consome, o excedente acelera um pouco a roda. Quando dá menos, a roda abranda um pouco e a energia armazenada cobre a diferença. Quanto mais pesada é a roda, menos muda a sua velocidade para o mesmo excesso ou a mesma falta.

Um volante não acrescenta energia nem regula a alimentação. Se a velocidade média se desvia porque mudam a carga ou o vapor, tem de ser um regulador ou o operador a corrigi-la.

Cada parte de um aro em rotação é puxada para fora e tem de ser retida pelos raios e pelo próprio aro. Essa tração cresce com o quadrado da velocidade do aro e, acima de um limite fixado pelo material, a roda rebenta e os pedaços são projetados. Um relatório dos Sandia National Laboratories refere que o aro dos volantes das máquinas a vapor raramente passava dos 20 m/s. Os volantes modernos de armazenamento, com aro em compósito de fibra de carbono, giram a 500 a 1000 m/s dentro de um invólucro em vácuo. Segundo o mesmo relatório, um volante de 50 toneladas da era industrial guardava cerca de 5 kWh, ao passo que um volante moderno de rede com cerca de uma tonelada guarda mais de 25 kWh.

Como fazer

Uma pequena roda com manivela montada numa bancada mostra os dois efeitos: a massa no aro armazena mais, e um volante regulariza uma manivela. É apenas uma demonstração e nunca deve ser acionada com um berbequim ou um motor.

Fazer o suporte. Aparafuse ao alto, numa tábua, dois tacos de madeira dura com cerca de 25 cm de altura e 5 cm de lado, a 10 cm um do outro. Fure-os a 20 cm acima da tábua para uma cavilha direita de madeira dura ou uma vareta de aço com cerca de 12 mm, que deve girar livremente sem folga, e esfregue os furos com cera. Com o eixo a essa altura, a roda de 30 cm passa a cerca de 5 cm da tábua.

A roda de ensaio: quatro pesos iguais, aparafusados primeiro perto do centro e depois perto do aro.

Fazer a roda. Corte um disco de contraplacado com cerca de 30 cm de diâmetro e 15 mm de espessura, com um furo central bem justo no eixo, e cole-o ou prenda-o com cavilhas entre os tacos. Abra duas coroas de quatro furos em ângulo reto, uma a cerca de 4 cm do centro e a outra a cerca de 2 cm do bordo. Arranje quatro pesos iguais, por exemplo anilhas grandes de aço presas com parafusos e porcas, e confirme numa balança de cozinha que pesam o mesmo. Fixe na ponta do eixo, por fora de um taco, uma manivela de madeira com uma cavilha redonda como pega.

Fazer o ensaio. Aparafuse os pesos na coroa interior, trace uma marca a lápis no bordo, dê três voltas à manivela a um ritmo constante e largue. Conte as voltas que a roda dá até parar. Passe os mesmos pesos para a coroa exterior e repita ao mesmo ritmo. A roda custa mais a arrancar e dá muito mais voltas. Depois empurre a manivela só durante a metade descendente de cada volta: com os pesos no aro, a roda gira de forma muito mais regular entre os empurrões.

História e evolução

Seixos perfurados como os que se julga terem servido de cossoiros; o peso no pau mantém-no a girar mais tempo.

Em Nahal Ein Gev II, uma aldeia do vale do Jordão a cerca de 2 km a leste do mar da Galileia, viveram há cerca de 12 000 anos grupos do Natufiense final. As escavações revelaram 113 seixos perfurados, sobretudo de calcário mole e com pesos de 1 a 34 g: 48 furados de lado a lado, 36 partidos que só conservam parte do furo e 29 por acabar, com uma ou duas marcas de broca. Os furos acabados ficam no centro do seixo e quase todos foram abertos pelas duas faces. Das formas identificáveis, cerca de 60 % são redondas e as restantes angulosas ou irregulares, e só 11 seixos foram claramente trabalhados além da perfuração. Talia Yashuv e Leore Grosman defenderam em 2024 que eram cossoiros, que funcionam como pequenos volantes e mantêm o fuso a torcer a fibra depois de cada impulso dos dedos. Com réplicas, um fiandeiro experiente fiou linho e lã mais depressa do que à mão, e as pedras mais pesadas conservavam melhor o embalo. Dois arqueólogos alheios ao estudo, Alex Joffe e Yorke Rowan, apoiaram essa leitura. Carole Cheval, especialista em têxteis pré-históricos, escreveu que os seixos podem bem ser cossoiros e que já tinham sido publicados objetos semelhantes, alguns mais antigos. Janet Levy, citada por Yashuv e Grosman, situa mais tarde a primeira prova clara de fio fiado com fuso no Levante meridional, no Neolítico cerâmico.

Os oleiros usaram depois uma roda mais pesada. Segundo Johnny Baldi e Valentine Roux, os oleiros do norte da Mesopotâmia moldavam os vasos com o embalo de uma roda em rotação por volta de 3900 a.C., e no Levante meridional surgem dispositivos rotativos na segunda metade do V milénio a.C. A grande roda da roda de fiar fez mais tarde o mesmo trabalho para o fuso.

No seu livro sobre minas, impresso em 1556, Agricola descreve um sarilho que tem uma roda além das manivelas. Uma vez lançado o tambor, as voltas rápidas da roda ajudavam-no a girar, e num poço mais fundo três homens com a roda faziam o trabalho de quatro. Penduravam-se massas de chumbo na roda ou prendiam-se aos raios. A roda não tinha cubo: os raios estavam encaixados diretamente no tambor grosso. Agricola descreve também uma máquina de manivela que elevava a água com uma cadeia de alcatruzes e tinha um volante de madeira no seu eixo mais baixo, para girar com mais facilidade. O livro de máquinas de Agostino Ramelli, de 1588, mostra bombas de manivela com volantes.

Em 1779, Matthew Wasbrough, engenheiro em Bristol, patenteou uma máquina a vapor que fazia girar um veio por meio de rodas de catraca, e acrescentou-lhe um volante. John Farey, em 1827, considerava-o o primeiro volante usado numa máquina a vapor. As catracas avariavam constantemente e, em 1780, quem explorava uma dessas máquinas em Birmingham substituiu-as por uma simples manivela e conservou o volante. A patente de James Pickard de 23 de agosto de 1780 dizia respeito a uma manivela com um contrapeso rotativo. A manivela e o volante tornaram-se a forma habitual de tirar de uma máquina uma rotação regular.

Os volantes cresceram com as máquinas, e algumas rodas de ferro fundido do século XIX mediam vários metros. O relatório de Sandia nota que os rebentamentos eram bastante frequentes, muitas vezes depois de uma falha do regulador. Em 1896, numa fábrica de arame de Cleveland, um volante de 24 pés (7,3 m) de diâmetro, com cerca de 50 000 libras (cerca de 23 toneladas) e a girar a 75 rotações por minuto, rebentou quando a correia do regulador partiu e a máquina disparou.

Desde o fim do século XX também se constroem volantes só para armazenar eletricidade. Um motor-gerador acelera o rotor para guardar a energia e trava-o para a recuperar, e o rotor gira em vácuo para reduzir o atrito do ar. Em Stephentown, no estado de Nova Iorque, abriu em 2011 uma central com 200 volantes de aro em fibra de carbono, cada um a girar até 16 000 rotações por minuto sobre chumaceiras magnéticas e a guardar 25 kWh. Em conjunto, podem fornecer ou absorver 20 MW em poucos segundos para manter estável a frequência da rede.