Estabilizador giroscópico: como funciona nos barcos e o que os carros usam no lugar

Um estabilizador giroscópico é um volante pesado girando em alta rotação dentro de um veículo: quando o veículo tenta inclinar, o volante reage com uma força que segura a inclinação. Hoje ele é usado em barcos, onde um aparelho de 567 kg segura o balanço de uma embarcação de 30 toneladas. Nos carros e nas motos, o que existe com esse nome é outra coisa: um sensor giroscópico que mede o movimento e avisa os freios.

Este artigo separa os dois casos, mostra a conta que explica o estabilizador dos barcos, conta por que a ideia foi abandonada nos navios e nos trens e traz os números do controle de estabilidade dos carros. As fontes são os manuais da fabricante Seakeeper, um livro de física de acesso aberto, a agência de trânsito dos Estados Unidos (NHTSA), a Bosch e as resoluções do CONTRAN.

A física em duas fórmulas

Um corpo que gira tem momento angular, que mede o quanto ele resiste a mudar de eixo. A fórmula, como está no livro de física da OpenStax, é:

momento angular = momento de inércia × velocidade de rotação

Quando uma força tenta tombar o eixo, o giroscópio não tomba: ele gira de lado, num movimento chamado precessão. A segunda fórmula liga as três grandezas:

velocidade de precessão = torque ÷ momento angular

O estabilizador usa essa relação ao contrário. O balanço do barco faz o volante precessar, e a precessão devolve ao casco um torque que se opõe ao balanço. Quanto maior o momento angular, mais torque o aparelho entrega. O mesmo princípio, em escala de milímetros, está no giroscópio do celular, que só mede e não segura nada.

O estabilizador giroscópico dos barcos

O produto mais conhecido é o da americana Seakeeper: um volante de aço dentro de uma esfera selada a vácuo, para girar sem atrito do ar, com um sistema que controla a precessão. A fabricante declara eliminar até 95% do balanço; é número de catálogo, e depende do barco e do mar.

Com a segunda fórmula dá para tirar da tabela a velocidade de precessão que cada aparelho usa no torque máximo:

• Seakeeper 1: 2.620 ÷ 1.000 = 2,62 radianos por segundo, cerca de 150 graus por segundo;
• Seakeeper 9: 18.890 ÷ 9.000 = 2,10 radianos por segundo, cerca de 120 graus por segundo.

E, com a primeira, o momento de inércia do volante maior. A 9.000 rpm, que são 942 radianos por segundo, 9.000 ÷ 942 = cerca de 9,5 kg·m². É o equivalente a um disco maciço de uns 300 kg com meio metro de diâmetro. A alta rotação faz o resto.

O preço da solução está na tabela: o volante leva quase uma hora para chegar à rotação, e o motor consome de 1.000 a 2.000 watts em operação no modelo maior, além de 240 watts de controle.

Os gigantes que vieram antes

A ideia tem mais de um século. O navio americano USS Henderson, concluído em 1917, tinha dois volantes de 25 toneladas, segundo a Wikipédia em inglês. O caso mais famoso é o transatlântico italiano Conte di Savoia, de 1932. Segundo um artigo de 1933 da revista do Instituto Naval dos Estados Unidos, ele levava três volantes de 13 pés de diâmetro (cerca de 4 m), cada um com 110 toneladas, girando a 800 rpm. A instalação completa pesava 750 toneladas num navio de 48.000, consumia até 2.000 hp e custou cerca de US$ 1 milhão. O artigo relata um balanço de 30 graus de arco completo, 15 para cada lado, reduzido a menos de 3 graus para cada lado.

Uma estimativa mostra a proporção. Tratando cada volante como um disco maciço, o momento de inércia é metade da massa vezes o raio ao quadrado: 0,5 × 110.000 × 1,98² = cerca de 216.000 kg·m². A 800 rpm (84 radianos por segundo), o momento angular fica perto de 18 milhões de N·m·s por volante. São 2.000 vezes o Seakeeper 9, para um navio 1.600 vezes mais pesado que o barco de 30 t. A conta é nossa e supõe o disco maciço; um volante real concentra massa na borda e teria mais.

Os navios abandonaram a solução. As aletas estabilizadoras, que são pequenas asas sob a linha d’água, fazem o mesmo trabalho com menos peso e custo. O giroscópio voltou nos barcos de lazer, que ficam muito tempo parados ou devagar, situação em que a aleta convencional, que depende da água passando, perde eficiência.

Nos trilhos houve uma tentativa. Em 1909, o engenheiro Louis Brennan demonstrou na Inglaterra um vagão de 22 toneladas que andava equilibrado sobre um único trilho graças a dois giroscópios, com 40 pessoas a bordo. Não atraiu investimento e nunca entrou em serviço, segundo a Wikipédia em inglês.

Nos carros, o giroscópio é sensor

Nenhum carro de série usa volante de inércia para se equilibrar. O controle eletrônico de estabilidade, conhecido como ESC ou ESP, usa um sensor que mede a taxa de guinada, isto é, a velocidade com que o carro gira em torno do eixo vertical. A regra americana define o sistema por duas capacidades: determinar a taxa de guinada e frear cada uma das quatro rodas separadamente.

O funcionamento é uma comparação. O sistema calcula, pelo volante e pela velocidade, para onde o motorista quer ir, e mede com o sensor para onde o carro está indo. Se as duas coisas divergem, ele freia uma roda para trazer o carro de volta. Os freios que executam a ordem são os descritos em freios a disco e ABS.

A Bosch lançou o sistema em 1995, no Mercedes-Benz Classe S, e conta que desde 1998 o sensor de guinada, que chama de coração do ESP, é fabricado como sensor micromecânico, a mesma família de tecnologia dos giroscópios de celular, na nossa comparação.

Os números da NHTSA explicam por que ele virou obrigatório. Nos acidentes com um só veículo, a redução estimada foi de 34% nos carros de passeio e de 59% nos utilitários esportivos. Nos capotamentos desse tipo de acidente, 71% e 84%. O custo médio para a frota cumprir a regra foi calculado em US$ 58 por veículo, porque muitos carros já tinham o sistema; o equipamento em si foi estimado em US$ 111 num carro que já tem ABS.

No Brasil, a obrigação veio da Resolução CONTRAN 567, de 2015, para automóveis e comerciais leves: novos projetos a partir de 2020 e todos os veículos a partir de 2022. Em 2020, a Resolução 799 adiou o prazo final para 50% da produção em 2023 e 100% em 2024. As regras estão hoje consolidadas na Resolução 954, de 2022. Sensores que medem o entorno, e não o movimento do próprio carro, são tema de sensores LIDAR.

E nas motos?

A crença comum é que a moto fica em pé pelo efeito giroscópico das rodas. Ele existe, mas não é o que decide. Em 2011, um grupo de pesquisadores publicou na revista Science o experimento de uma bicicleta construída para o teste, com rodas extras girando ao contrário, que anulavam o efeito giroscópico. Ela continuou se equilibrando sozinha acima de 2,3 m/s. A conclusão do artigo é que o efeito giroscópico não é necessário para a estabilidade.

Nas motos atuais, o giroscópio entra como nos carros. O controle de estabilidade da Bosch para motos, lançado em 2013 segundo a imprensa especializada, mede guinada e inclinação para dosar freio e aceleração também dentro da curva.

Perguntas frequentes

O que é um estabilizador giroscópico?

É um volante em alta rotação que reage à inclinação do veículo com um torque contrário. Hoje é usado principalmente em barcos.

Carros têm estabilizador giroscópico?

Não no sentido de um volante que equilibra. Eles têm um sensor giroscópico que mede o giro do carro e comanda os freios, no controle eletrônico de estabilidade.

O controle de estabilidade é obrigatório no Brasil?

Sim, em todos os automóveis e comerciais leves novos desde janeiro de 2024.

Quanto pesa um estabilizador de barco?

De 165 kg, para barcos de até 30 pés, a 567 kg, para barcos de até 59 pés, nos dois modelos da Seakeeper que citamos.

Por que os navios não usam mais giroscópios?

Porque as aletas estabilizadoras fazem o mesmo com menos peso e custo. No Conte di Savoia, a instalação pesava 750 toneladas.

O estabilizador giroscópico funciona de verdade onde sobra espaço para um volante e falta velocidade para uma aleta, que é o caso do barco parado. Em tudo o que anda sobre rodas, o giroscópio ficou pequeno e virou instrumento de medida. Os princípios por trás dele, com as contas, estão em como funciona a engenharia.