Pedeorelha | Como funciona a aerodinâmica

Cameron Merritt
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Veículos com design aerodinâmico tendem a ser mais estáveis em velocidades mais altas. Veja mais fotos de carros esportivos. - © -iStockphoto.com / Mark Evans

É desagradável pensar nisso, mas imagine o que aconteceria se você dirigisse seu carro contra uma parede de tijolos a -65 milhas por hora (104,6 quilômetros por hora). O metal se retorcia e rasgava. O vidro iria quebrar. Airbags explodiriam para protegê-lo. Mas, mesmo com todos os avanços em segurança que temos em nossos automóveis modernos, provavelmente seria um acidente difícil de evitar. Um carro simplesmente não foi projetado para atravessar uma parede de tijolos.

Mas há outro tipo de "parede" pela qual os carros são projetados para se mover, e tem sido por muito tempo - a parede de ar que empurra um veículo em alta velocidade.

A maioria de nós não pensa no ar ou no vento como uma parede. Em baixas velocidades e em dias em que não há muito vento lá fora, é difícil perceber como o ar interage com nossos veículos. Mas em altas velocidades e em dias excepcionalmente ventosos, a resistência do ar (as forças atuaram sobre um objeto em movimento pelo ar - também definido como arrastar) tem um efeito tremendo na forma como um carro acelera, manuseia e atinge a milhagem de combustível.

É aqui que entra a ciência da aerodinâmica. Aerodinâmica é o estudo das forças e do movimento resultante de objetos pelo ar [fonte: NASA]. Por várias décadas, os carros foram projetados com a aerodinâmica em mente e os fabricantes de automóveis surgiram com uma variedade de inovações que tornam o corte dessa "parede" de ar mais fácil e com menos impacto na direção diária.

-Essencialmente, ter um carro projetado com o fluxo de ar em mente significa que ele tem menos dificuldade em acelerar e pode alcançar melhores números de economia de combustível porque o motor não precisa trabalhar tanto para empurrar o carro através da parede de ar.

Os engenheiros desenvolveram várias maneiras de fazer isso. Por exemplo, designs e formas mais arredondadas no exterior do veículo são elaborados para canalizar o ar de uma forma que flua ao redor do carro com a menor resistência possível. Alguns carros de alto desempenho têm até peças que movem o ar suavemente pela parte de baixo do carro. Muitos também incluem um Spoiler -- também conhecido como Asa traseira -- para evitar que o ar levante as rodas do carro e o torne instável em altas velocidades. Embora, como você vai ler mais tarde, a maioria dos spoilers que você vê nos carros são simplesmente para decoração, mais do que qualquer outra coisa.

Neste artigo, veremos a física da aerodinâmica e a resistência do ar, a história de como os carros foram projetados com esses fatores em mente e como, com a tendência de carros "mais verdes", a aerodinâmica é agora mais importante do que nunca.

Conteúdo

A Ciência da Aerodinâmica
O coeficiente de arrasto
História do Design Aerodinâmico de Carros
Medindo o arrasto usando túneis de vento
Complementos aerodinâmicos

Antes de olharmos como a aerodinâmica é aplicada a automóveis, aqui está um pequeno curso de atualização de física para que você possa entender a ideia básica.

À medida que um objeto se move pela atmosfera, ele desloca o ar que o cerca. O objeto também está sujeito à gravidade e arrasto. Arrastar é gerado quando um objeto sólido se move através de um meio fluido, como água ou ar. O arrasto aumenta com a velocidade - quanto mais rápido o objeto viaja, mais arrasto ele experimenta.

Medimos o movimento de um objeto usando os fatores descritos nas leis de Newton. Estes incluem massa, velocidade, peso, força externa e aceleração.

O arrasto tem um efeito direto na aceleração. A aceleração (a) de um objeto é seu peso (W) menos o arrasto (D) dividido por sua massa (m). Lembre-se de que o peso é a massa de um objeto vezes a força da gravidade que age sobre ele. Seu peso mudaria na lua devido à menor gravidade, mas sua massa permanece a mesma. Para ser mais simples:

a = (W - D) / m

(fonte: NASA)

À medida que um objeto acelera, sua velocidade e arrasto aumentam, eventualmente até o ponto em que o arrasto se torna igual ao peso - caso em que nenhuma aceleração adicional pode ocorrer. Digamos que nosso objeto nesta equação seja um carro. Isso significa que conforme o carro viaja cada vez mais rápido, mais e mais ar o empurra contra ele, limitando o quanto ele pode acelerar e restringindo-o a uma determinada velocidade.

Como tudo isso se aplica ao design de automóveis? Bem, é útil para descobrir um número importante - coeficiente de arrasto. Este é um dos principais fatores que determinam a facilidade com que um objeto se move pelo ar. O coeficiente de arrasto (Cd) é igual ao arrasto (D), dividido pela quantidade da densidade (r), vezes a metade da velocidade (V) ao quadrado vezes a área (A). Para tornar isso mais legível:

Cd = D / (A * .5 * r * V ^ 2)

[fonte: NASA]

Então, realisticamente, quanto coeficiente de arrasto um projetista de carro almeja se estiver criando um carro com intenção aerodinâmica? Descubra na próxima página.

A forma única do Toyota Prius é um fator que o ajuda a obter uma economia de combustível incrível. - © -iStockphoto.com / TIM MCCAIG

- -Acabamos de aprender que o coeficiente de arrasto (Cd) é uma figura que mede a força da resistência do ar em um objeto, como um carro. Agora, imagine a força do ar empurrando o carro enquanto ele se move pela estrada. A 70 milhas por hora (112,7 quilômetros por hora), há quatro vezes mais força trabalhando contra o carro do que a 35 milhas por hora (56,3 quilômetros por hora) [fonte: Elliott-Sink].

As habilidades aerodinâmicas de um carro são medidas usando o coeficiente de resistência do veículo. Essencialmente, quanto mais baixo o Cd, mais aerodinâmico é o carro e mais fácil ele pode se mover através da parede de ar que o empurra.

Vejamos alguns números Cd. Lembra-se dos velhos carros Volvo quadradinhos dos anos 1970 e 1980? Um velho Volvo 960 sedan atinge um Cd de .36. Os Volvos mais novos são muito mais elegantes e curvilíneos, e um sedã S80 atinge um Cd de 0,28 [fonte: Elliott-Sink]. Isso prova algo que você já deve ter adivinhado - formas mais suaves e aerodinâmicas são mais aerodinâmicas que as quadradas. Por que exatamente?

Vejamos a coisa mais aerodinâmica da natureza - uma lágrima. A lágrima é lisa e redonda em todos os lados e afunila na parte superior. O ar flui suavemente ao seu redor enquanto cai no chão. É o mesmo com os carros - superfícies lisas e arredondadas permitem que o ar flua em um fluxo sobre o veículo, reduzindo o "empurrão" do ar contra o corpo.

Hoje, a maioria dos carros atinge um Cd de cerca de 0,30. Os SUVs, que tendem a ser mais quadrados que os carros porque são maiores, acomodam mais pessoas e geralmente precisam de grades maiores para ajudar a resfriar o motor, têm um Cd de 0,30 a 0,40 ou mais. As picapes - um design propositadamente quadrado - normalmente têm cerca de 0,40 [fonte: Siuru].

Muitos questionaram a aparência "única" do híbrido Toyota Prius, mas ele tem um formato extremamente aerodinâmico por um bom motivo. Entre outras características eficientes, seu Cd de 0,26 o ajuda a atingir uma quilometragem muito alta. Na verdade, reduzir o Cd de um carro em apenas 0,01 pode resultar em um aumento de 0,2 milhas por galão (0,09 quilômetros por litro) na economia de combustível [fonte: Siuru].

Na próxima página, examinaremos a história do design aerodinâmico.

Esses carros antigos demonstram o quão pouco se sabia sobre a aerodinâmica veicular no início do século XX. © -iStockphoto.com / John W. DeFeo

Embora os cientistas estejam mais ou menos cientes do que é necessário para criar formas aerodinâmicas por muito tempo, demorou um pouco para que esses princípios fossem aplicados ao design de automóveis.

Não havia nada aerodinâmico nos primeiros carros. Dê uma olhada no Modelo T da Ford - ele se parece mais com uma carruagem sem os cavalos - um design muito quadrado, de fato. Muitos desses primeiros carros não precisaram se preocupar com a aerodinâmica porque eram relativamente lentos. No entanto, alguns carros de corrida do início de 1900 incorporaram características aerodinâmicas e estreitas em um grau ou outro.

Em 1921, o inventor alemão Edmund Rumpler criou o Rumpler-Tropfenauto, que se traduz em "carro em forma de lágrima". Baseado na forma mais aerodinâmica da natureza, a lágrima, ele tinha um Cd de apenas 0,27, mas seu visual único nunca pegou no público. Apenas cerca de 100 foram feitos [fonte: Price].

Do lado americano, um dos maiores avanços no design aerodinâmico veio na década de 1930 com o Chrysler Airflow. Inspirado por pássaros em vôo, o Airflow foi um dos primeiros carros projetados com a aerodinâmica em mente. Embora usasse algumas técnicas de construção exclusivas e tivesse uma distribuição de peso de quase 50-50 (distribuição de peso igual entre os eixos dianteiro e traseiro para melhorar o manuseio), um público cansado da Grande Depressão nunca se apaixonou por sua aparência não convencional, e o carro foi considerado um fracasso. Ainda assim, seu design simplificado estava muito à frente de seu tempo.

Com o surgimento dos anos 1950 e 60, alguns dos maiores avanços na aerodinâmica automotiva vieram das corridas. Originalmente, os engenheiros experimentaram projetos diferentes, sabendo que formas aerodinâmicas poderiam ajudar seus carros a irem mais rápido e controlar melhor em altas velocidades. Isso acabou evoluindo para uma ciência muito precisa de criar o carro de corrida mais aerodinâmico possível. Spoilers dianteiros e traseiros, narizes em forma de pá e kits aerodinâmicos tornaram-se cada vez mais comuns para manter o ar fluindo sobre o topo do carro e para criar downforce necessária nas rodas dianteiras e traseiras [fonte: Formula 1 Network].

No lado do consumidor, empresas como a Lotus, Citroën e Porsche desenvolveram alguns designs muito simplificados, mas estes foram aplicados principalmente a carros esportivos de alto desempenho e não a veículos comuns para o motorista comum. Isso começou a mudar na década de 1980 com o Audi 100, um sedã de passageiros com um então inédito Cd de 0,30. Hoje, quase todos os carros são projetados com a aerodinâmica em mente de alguma forma [fonte: Edgar].

O que ajudou essa mudança a ocorrer? A resposta: o túnel de vento. Na próxima página, exploraremos como o túnel de vento se tornou vital para o design automotivo.

Carros (e aviões) têm sua aerodinâmica testada por túneis de vento.- - © -iStockphoto.com / Kiyoshi Takahase Segundo

Para medir a eficácia aerodinâmica de um carro em tempo real, os engenheiros pegaram emprestada uma ferramenta da indústria aeronáutica - o túnel de vento.

Em essência, um túnel de vento é um tubo enorme com ventiladores que produzem o fluxo de ar sobre um objeto interno. Pode ser um carro, um avião ou qualquer outra coisa que os engenheiros precisem medir para resistência do ar. De uma sala atrás do túnel, os engenheiros estudam a forma como o ar interage com o objeto, a forma como as correntes de ar fluem sobre as várias superfícies.

O carro ou avião dentro nunca se move, mas os ventiladores criam vento em velocidades diferentes para simular as condições do mundo real. Às vezes, um carro real nem é usado - os designers costumam confiar em modelos em escala exata de seus veículos para medir a resistência ao vento. Conforme o vento se move sobre o carro no túnel, os computadores são usados para calcular o coeficiente de arrasto (Cd).

Os túneis de vento não são nada novos. Eles existem desde o final de 1800 para medir o fluxo de ar em muitas das primeiras tentativas de aeronaves. Até os irmãos Wright tinham um. Após a Segunda Guerra Mundial, os engenheiros de carros de corrida em busca de uma vantagem sobre a concorrência começaram a usá-los para avaliar a eficácia do equipamento aerodinâmico de seus carros. Essa tecnologia mais tarde chegou a carros de passeio e caminhões.

No entanto, nos últimos anos, os grandes túneis de vento multimilionários estão sendo usados cada vez menos. Simulações de computador estão começando a substituir os túneis de vento como a melhor forma de medir a aerodinâmica de um carro ou aeronave. Em muitos casos, os túneis de vento são quase todos chamados apenas para garantir que as simulações de computador sejam precisas [fonte: Day].

Muitos pensam que adicionar um spoiler na parte traseira do carro é uma ótima maneira de torná-lo mais aerodinâmico. Na próxima seção, examinaremos diferentes tipos de complementos aerodinâmicos para veículos e examinaremos suas funções no desempenho e no fornecimento de melhor consumo de combustível.

Os carros de Fórmula 1 são aerodinamicamente projetados para gerar força descendente máxima. - © --iStockphoto.com / Tan Kian Khoon

A aerodinâmica é mais do que apenas arrasto - há outros fatores chamados de sustentação e força descendente também. Lift é a força que se opõe ao peso de um objeto e o levanta no ar e o mantém lá. Downforce é o oposto de sustentação - a força que pressiona um objeto na direção do solo [fonte: NASA].

Você pode pensar que o coeficiente de resistência em um carro de corrida de Fórmula Um seria muito baixo - um carro superaerodinâmico é mais rápido, certo? Não neste caso. Um carro de F1 típico tem um Cd de cerca de 0,70.

Por que este tipo de carro de corrida é capaz de dirigir a velocidades de mais de 200 milhas por hora (321,9 quilômetros por hora), mas não é tão aerodinâmico quanto você pode imaginar? Isso porque os carros de Fórmula 1 são construídos para gerar o máximo de downforce possível. Nas velocidades em que estão viajando e com seu peso extremamente leve, esses carros realmente começam a experimentar elevação em algumas velocidades - a física os força a decolar como um avião. Obviamente, os carros não foram feitos para voar pelo ar e, se um carro for no ar, isso pode significar um acidente devastador. Por este motivo, a força descendente deve ser maximizada para manter o carro no solo em altas velocidades, e isso significa que um Cd alto é necessário.

Os carros de Fórmula Um conseguem isso usando asas ou spoilers montados na frente e na traseira do veículo. Essas asas canalizam o fluxo em correntes de ar que pressionam o carro contra o solo - mais conhecido como downforce. Isso maximiza a velocidade nas curvas, mas deve ser cuidadosamente balanceado com a elevação para permitir ao carro a quantidade adequada de velocidade em linha reta [fonte: Smith].

Muitos carros de produção incluem complementos aerodinâmicos para gerar downforce. Embora o supercarro Nissan GT-R tenha sido um tanto criticado na imprensa automotiva por sua aparência, todo o corpo é projetado para canalizar o ar sobre o carro e de volta através do spoiler traseiro oval, gerando bastante downforce. O 599 GTB Fiorano da Ferrari tem pilares B de contraforte projetados para canalizar o ar para a parte traseira também - eles ajudam a reduzir o arrasto [fonte: Classic Driver].

Mas você vê muitos spoilers e asas em carros comuns, como sedans Honda e Toyota. Isso realmente adiciona um benefício aerodinâmico a um carro? Em alguns casos, pode adicionar um pouco de estabilidade em alta velocidade. Por exemplo, o Audi TT original não tinha um spoiler na tampa traseira, mas a Audi acrescentou um depois que sua carroceria arredondada criava muita sustentação e pode ter sido um fator em alguns naufrágios [fonte: Edgar].

Na maioria dos casos, no entanto, prender um grande spoiler na parte traseira de um carro comum não vai ajudar no desempenho, velocidade ou manuseio de um lote inteiro - se é que vai ajudar. Em alguns casos, pode até criar mais subviragem ou relutância em fazer curvas. No entanto, se você acha que aquele spoiler gigante fica ótimo no porta-malas do seu Honda Civic, não deixe ninguém lhe dizer o contrário.

Para obter mais informações sobre aerodinâmica automotiva e outros tópicos relacionados, passe direto para a próxima página e siga os links.

Mais ótimos links

NASA - Guia do Iniciante em Aerodinâmica
NASA - The Drag Coefficient
NASA Advanced Supercomputing (NAS) Division - Aerodynamics In Car Racing
Symscape - Fórmula 1 Aerodinâmica

Fontes

Driver clássico. "A Ferrari 599 GTB Fiorano." (9 de março de 2009) http://www.classicdriver.com/uk/magazine/3300.asp?id=12863
Dia, Dwayne A. "Túneis de Vento Avançados". Comissão do Centenário de Voo dos EUA. (9 de março de 2009) http://www.centennialofflight.gov/essay/Evolution_of_Technology/advanced_wind_tunnels/Tech36.htm
Edgar, Julian. "A aerodinâmica dos carros estagnou." Velocidade automática. (9 de março de 2009) http://autospeed.com/cms/A_2978/article.html
Elliott-Sink, Sue. "Melhorando a aerodinâmica para impulsionar a economia de combustível." Edmunds.com. 2 de maio de 2006. (9 de março de 2009) http://www.edmunds.com/advice/fueleconomy/articles/106954/article.html
Rede de Fórmula 1. "Williams F1 - História da Aerodinâmica: Evolução da aerodinâmica." (9 de março de 2009) http://www.f1network.net/main/s107/st22394.htm
NASA. "Guia para iniciantes em aerodinâmica." 11 de julho de 2008. (9 de março de 2009) http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/bga.html
NASA. "O coeficiente de arrasto." 11 de julho de 2008. (9 de março de 2009)
http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/dragco.html
Price, Ryan Lee. "Cheating Wind - Guia do comprador e da tecnologia aerodinâmica: a arte da aerodinâmica e do automóvel." European Car Magazine. (9 de março de 2009) http://www.europeancarweb.com/tech/0610_ec_aerodynamics_tech_buyers_guide/index.html
Siuru, Bill. "5 fatos: aerodinâmica do veículo." GreenCar.com. 13 de outubro de 2008. (9 de março de 2009) http://www.greencar.com/articles/5-facts-vehicle-aerodynamics.php
Smith, Rich. "Aerodinâmica da Fórmula 1". Symscape. 21 de maio de 2007. (9 de março de 2009) http://www.symscape.com/blog/f1_aero

Como funciona a aerodinâmica

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