Aerodinâmica: este recorte no Ford GT é uma sacada genial – veja as razões técnicas para isso

Juliano Barata 18 dezembro, 2015 0
Aerodinâmica: este recorte no Ford GT é uma sacada genial – veja as razões técnicas para isso

Há alguns dias – e já entrando no clima de Le Mans 2016 –, o canal oficial da Ford Racing Performance publicou um vídeo chamado “Aero and Design” sobre o Ford GT LM GTE, que foi reproduzido em uma porção de sites de todo o mundo e deixou muita gente salivando. A princípio. Afinal, com este título, fica a impressão de que finalmente viriam as respostas para aquelas laterais recortadas em um grau que jamais foi visto em um carro de rua e que foram fielmente preservadas no modelo de competição.

E então vieram palavras como as de Bernie Marcus, aerodinamicista da Ford Performance: “Se você olhar a carenagem, verá aquele destaque na área dos para-lamas traseiros. É um recurso aerodinâmico bastante peculiar, mas é um item de estilo também”. Ou de Garen Nicoghosian, Gerente de Design Externo do Ford GT: “além de unir os painéis da carroceria, aquele componente também hospeda os intercoolers. É uma bela peça de escultura, mas ao mesmo tempo, ela performa uma série de funções. De certa forma, é representativo de o que o carro se trata. Não há nada presente acidentalmente no carro”.

Não sei de vocês, mas a equipe do FlatOut ficou algo desapontada com a quebra de expectativa.

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Contudo, no meio desta ensaboada angloamericana, três imagens de CFD (computational fluid dynamics, ou dinâmica de fluidos computacional) do Ford GT aparecem. Com apenas 15 lâminas de fluxo contornando a carroceria e nenhum comentário, elas adicionam pouco… mas me deixaram pensativo.

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Um carro deste calibre – e com a missão de extrema responsabilidade de representar o retorno da Ford a Le Mans em 2016 – não pode ter elementos desta natureza à toa, por mera estética. E então comecei a estudar as fotografias que eu mesmo tirei no Salão de Detroit deste ano e a procurar por imagens de outros ângulos do GT. E então me dei conta do óbvio: estava bem ali, na nossa cara, o tempo inteiro.

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Antes de apontarmos o pulo do gato, contudo, é preciso passarmos por alguns conceitos relacionados a arrasto aerodinâmico e efeito Venturi de aceleração de escoamento.

 

Arrastando a massa de ar

Quando pensamos em arrasto aerodinâmico nos automóveis, o senso comum nos leva a pensar em uma frente baixa e em cunha – em oposição a uma dianteira chapada e alta, como a de um caminhão – como a solução de todos os problemas. Se este raciocínio está correto, por outro lado está longe de ser completo.

Você consegue arrastar algo que está adiante? Não, você empurra. Então o nome já dá o indicativo: no arrasto aerodinâmico, o problema maior não está na frente do corpo, mas sim, atrás dele. É uma força que te puxa por trás, e não uma que te resiste pela frente.

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Nos pontos 1 há um ganho de pressão e redução de velocidade do fluxo. Mas bem menos grave que nos pontos 2.

Para entendermos por que isso acontece, antes de mais nada, é preciso encararmos o ar como fluido viscoso, não como um espaço vazio. Quando a carroceria de um carro em velocidade penetra este fluido, algumas coisas acontecem: o fluido impõe a sua resistência ao movimento, ele se escoa à sua volta e, por ser viscoso, uma fina camada se adere ao corpo – como um filme de óleo. Ou, para visualizar com mais dramaticidade, mel.

Por causa da viscosidade, este fluido escoando bem colado na carroceria fica com uma velocidade muito menor que o fluido escoando alguns milímetros acima – e assim por diante. Afinal, se é viscoso, ele adere. Então, não apenas visualize o ar como fluido, mas visualize este fluido escoando na carroceria como várias camadas sobrepostas em degradê, todas em contato uma com a outra como se fossem páginas de um livro. Quanto mais próximo da carroceria, mais lenta a velocidade do ar, então existem forças de cisalhamento entre estas “páginas”. Fricção. Logicamente, a partir de certa altura em relação ao corpo a influência da carroceria em relação à velocidade do fluido fica mínima.

Camada-limite é o nome desta região onde há a adesão do fluido ao corpo, sua consequente desaceleração pela adesão viscosa e a notória fricção entre as camadas de ar por diferença de velocidade. Ela é absolutamente fundamental pra entendermos o arrasto aerodinâmico, que resulta no caos que ocorre na traseira dos veículos ilustrados acima.

camada-limite

Está vendo que no exemplo da direita o ar se comporta de forma aparentemente caótica, formando pequenos turbilhões em parafuso – os vórtices? Isso é o que acontece quando a camada-limite perde adesão suficiente ao corpo. Lembre-se de que há diferença de velocidade entre as lâminas de ar dentro da camada limite. É a fricção causada por esta diferença de velocidade que faz as lâminas “tropeçarem” de cima pra baixo e enrolarem entre si, perdendo ainda mais velocidade e, no pior dos casos, formando uma grande zona de perturbação aerodinâmica cumulativa que gera um turbilhão, um emaranhado que fica pendurado para muito atrás do corpo na área conhecida como “esteira aerodinâmica”, se arrastando (lembre-se que o fluido é viscoso e há adesão e interação inclusive entre suas camadas) e gerando resistência ao movimento. Ali está a força do arrasto – veja as imagens abaixo.

Existem formas positivas de se utilizar pequenos vórtices para ajudar a prevenir a formação deste turbilhão. Soa contraditório e abordaremos estes geradores de vórtices num post futuro para não desviarmos do assunto principal.

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Dentre as várias causas que fazem a camada-limite descolar da superfície, a principal é a transição muito repentina de uma região de fluxo de alta velocidade (e em decorrência, de baixa pressão) para uma de baixa velocidade (e em decorrência, de alta pressão). Como o fim do teto ou a traseirona de um carro.

E quanto maior a área chapada desta traseira, maior tenderá a ser o turbilhão e o arrasto. Portanto, de cara já vemos uma vantagem nesta solução do Ford GT: note como o painel traseiro se resume apenas à seção central e ao suporte das lanternas. A tal “esteira aerodinâmica” fica bem estreita. Esta é uma grande vantagem, mas o buraco é mais fundo!

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O vídeo abaixo é bastante didático: ele mostra o arrasto gerado por uma bola e modificações feitas para reduzir a perturbação aerodinâmica atrás do corpo. Assista-o pensando nas questões de viscosidade do ar, adesão e descolamento da camada-limite que falamos acima.

O vídeo também é importante para entendermos o tal do conceito de forma de gota. Como o fluxo aerodinâmico encontra dificuldades em se manter estável numa transição brusca de alta para baixa velocidade, “despedir-se” do corpo de forma gradual é a solução ideal para evitar o descolamento brusco da camada-limite e assim reduzir o arrasto.

Por isto, caudas longas e com esta silhueta foram utilizadas por muito tempo no automobilismo em uma época no qual a grande preocupação era apenas o arrasto. Downforce e mesmo asas eram relativa novidade.

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Mas conforme o esporte a motor evoluiu, descobriram que isso tinha alguns pênaltis, sendo o maior o fato de que este rabão movia o centro de pressão aerodinâmica para trás. É como se em altas velocidades uma mão invisível pressionasse a extremidade traseira para baixo, deixando a frente leve e, por consequência, virtualmente sem direção. A inércia também fazia dos long tails carros bastante perigosos em curvas de média-alta.

 

Acelerando o ar

A questão é que o escoamento de ar num corpo pode ser acelerado com alguns macetes, sendo o principal deles o conceito do tubo de Venturi. Não havendo perdas energéticas ou compressão forçada do fluido, a soma das energias de pressão (potencial) e de velocidade (cinética) deve ser constante. Então, se num tubo fizermos este fluxo acelerar – por exemplo, reduzindo o diâmetro do canal –, necessariamente a pressão precisa cair, pois energia não pode ser criada do nada nem desaparecer. Esta é a explicação grosseira do tubo de Venturi, acelerador de fluxo essencial para o funcionamento dos carburadores (veja como eles funcionam neste texto).

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Do fim dos anos 1960 para cá, os aerodinamicistas do automobilismo perceberam que o princípio da asa – que já era usada nos monopostos e carros de turismo – podia ser estendida ao formato do próprio veículo em si: o tal do carro-asa, sendo um dos principais o Lotus 78, de Peter Wright e Colin Chapman.

O princípio da asa é similar ao conceito do Tubo de Venturi, mas em vez do ganho de velocidade do fluxo rolar pelo estreitamento do corpo/tubo, ele acontece por um desenho assimétrico entre a porção superior e a inferior do perfil da asa. O perfil mais longo é aquele no qual o ar precisará acelerar mais, gerando queda de pressão. Veja abaixo.

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No caso dos carros-asas, o efeito fica muito intenso porque há uma combinação de conceitos: a silhueta do perfil da carenagem é de asa, mas o volume entre o asfalto e o assoalho forma um estreitamento de duto similar ao Tubo de Venturi. É por isso que antigamente as equipes de Fórmula 1 usavam saias e escovas contornando as laterais e que se arrastavam no solo: dramatizar ainda mais o efeito de tubo.

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Hoje em dia nomes como “carro-asa” e “efeito solo” são coisa de velho nostálgico como eu, mas os difusores presentes em monopostos e em carros de turismo (inclusive de rua) são exatamente a mesma coisa. Para não deixar o downforce absurdo, os órgãos reguladores limitam cada vez mais o comprimento dos difusores, o que reduz a sua capacidade de acelerar o fluxo de ar.

 

Uma nova perspectiva

Você já tinha até esquecido que o post era sobre o Ford GT, mas precisávamos passar pelos conceitos de arrasto e de aceleração de escoamento aerodinâmico para explicar o grande barato deste cara e o por quê daqueles enormes recortes nas laterais traseiras. Na foto abaixo, começando pela dianteira, podemos notar que há duas grandes saídas de ar. O fluxo entra pela pequena grade dianteira, passa pelo radiador inclinado e sai por estes enormes dutos. A ideia é reduzir a pressão do fluxo e, como já sabemos, aumentar a velocidade do mesmo.

Como vocês devem ter notado, quase todas as conversas, demonstrações e estudos de aerodinâmica priorizam o perfil da lateral, principalmente porque o cálice sagrado é aumentar o downforce e reduzir o arrasto. Para aumentar o downforce, de fato você precisa reduzir a pressão do fluxo de ar sob o veículo, então a visão de perfil é o ângulo mais adequado. Mas será que existem outras formas e perspectivas de se reduzir o arrasto….

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…como fazer do habitáculo e do cofre do motor um shape de gota? Que sacada a dos caras – saíram do plano bidimensional e viram a coisa em outro eixo.

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Está vendo as setas brancas? Representam o fluxo dos gases de escape. Os canos não estão ali à toa: liberam espaço no assoalho para difusores colossais, como os que estão no Ford GT de competição. E ao despejar gases quentes, ou seja, de baixa pressão, há uma tendência a acelerar o fluxo de ar naquela região, prevenindo o descolamento abrupto de camada-limite nesta região central, favorecendo o término do shape de gota da imagem acima. Estes benefícios se somam à redução da área do painel traseiro, como vimos lá em cima.

Mas ainda tem mais.

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Sim. O espaço formado entre a parede dos para-lamas e a parede do cockpit é um acelerador de fluxo aerodinâmico. Dois canais de Venturi, combinados ao bom escoamento aerodinâmico da forma de gota. Esta dupla não apenas derruba o arrasto aerodinâmico do Ford GT, como de quebra pode aumentar a estabilidade direcional do veículo em altas velocidades – agindo como uma espécie de leme. São dois benefícios muito importantes para provas de longa duração e altíssima velocidade, como as do Le Mans Series. Com pouco arrasto, a velocidade final fica maior e consome-se menos combustível. Com mais estabilidade direcional, o carro fica mais confiável e fácil de ajustar, sem precisar de sacrifícios ou remendos dinâmicos.

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Apesar do desfoco da fotografia abaixo, podemos ver a curvatura dos canais. Note que há uma saída de ar quente no meio dele. Não está à toa: o ar quente reduz a pressão e tende a aumentar a velocidade do fluxo, sacada já utilizada pela Fórmula 1 há alguns anos.

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Embora estes enormes recortes nas laterais sejam abertos no topo, formando um canal em vez de um duto, é importante notar que os braços que conectam os para-lamas ao corpo da carroceria agem como defletores.

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O que os caras da Ford fizeram foi utilizar os mesmos conceitos já consagrados no automobilismo, mas viraram a miniatura 90 graus no eixo horizontal. Não é uma revolução, até porque o Nissan GT-R LM Nismo já empregou conceito similar (leia mais a respeito aqui). Mas o Ford GT não apenas é um carro de rua, como conseguiu resolver um problema de packaging que os japoneses ou não conseguiram ou falharam pelo excesso de radicalismo no conceito mecânico: o Ford tem motor central-traseiro e tração traseira.

Genial, sem dúvida. Mas no âmbito da teoria. Agora é vermos como tudo sai na prática. A verdade mora no cronômetro.

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