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Automobilismo Papo de Garagem Técnica

Como o Ariel Fan Car Aero-P resgatou uma tecnologia proibida dos anos 60 para gerar downforce

Há um certo consenso entre os engenheiros apaixonados por dinâmica dos fluidos de que a Fórmula 1 chegou a um patamar de refinamento de estudo aerodinâmico de causar inveja à indústria aeroespacial. A coisa está tão extrema que componentes como dezenas de geradores de vórtices (não sabe o que é? Explicamos tudo nesta reportagem) espalhados nas asas e carenagem, componentes flexíveis e o uso de ar quente (leia-se escapamento) para acelerar o escoamento aerodinâmico são notícia velha, o óbvio ululante. Eles estão literalmente no patamar de rocket science e seus engenheiros não usam mais linguagem terrestre para se comunicar.

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Pior ainda. Se você acha que eles estão próximos do limite possível, saiba que há um amontado de papel que segura a Fórmula 1 de virar coisa de alienígena em termos de performance: o regulamento técnico. É ele que, por muito tempo, impediu a tecnologia das asas móveis, recurso bastante rudimentar que foi usado em larga escala na categoria em 1969 – até acidentes graves começarem a acontecer por falhas nos mecanismos. Com as asas móveis, você podia ganhar velocidade nas retas (deixando-as paralelas ao solo, reduzindo o arrasto) e, nas curvas bastava soltar uma alavanca que a asa voltava ao ângulo ajustado nos boxes. A F1 só permitiu a volta delas – com o nome gourmet drag reduction system (sistema de redução de arrasto, DRS), em 2011 – para ganhar mais audiência com ultrapassagens. Grana.

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Mas lá fora, nas ruas, não tem essa de regulamento técnico. Você pode falar sobre legislação, mas estamos falando da Inglaterra, camarada. Um dos poucos lugares do mundo onde um quasi esporte-protótipo como um Radical SR8 ou Radical RXC (foto acima), com vão livre para o solo capaz de decapitar formigas e levantar bitucas do asfalto circula com placas e pode estacionar ao lado de um Hyundai Tucson no shopping.

Pensando nisso, em algum momento após algum Earl Grey, um engenheiro da Ariel Cars olhou para o passado do automobilismo. Olhou para os banidos. Os proibidos. Aqueles que seriam grandes vencedores, mas não passaram de revolucionários porque foram exterminados pelo tapetão do regulamento. A lista é tão grande que temos duas reportagens sobre isso: uma sobre carros de corrida e uma específica para carros de Fórmula 1.

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De todos os banidos, o Ariel Fan Car Aero-P bebeu em duas fontes bem específicas. Uma conterrânea (Brabham BT46B 1978, de Gordon Murray), outra com sabor do Texas (Chaparral 2J 1970, Jim Hall). Os famosos fan cars, carros equipados com enormes ventoinhas em suas traseiras para gerar downforce, sustentação negativa, pressionando mais os pneus contra o asfalto e ganhando poder de velocidade em curvas. O famoso efeito solo.

 

Downforce e o colchão de ar

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Os carros possuem dois desafios aerodinâmicos básicos: o primeiro é reduzir o arrasto aerodinâmico, ou seja, facilitar ao máximo o escoamento do ar em torno de sua carroceria (nós explicamos em detalhes o arrasto aerodinâmico nesta reportagem aqui) para reduzir a massa de ar arrastada pelo corpo (o ar é um fluido viscoso, que adere à superfície da carroceria) e aumentar sua eficácia energética – num carro de rua o benefício é consumo reduzido, num de competição, maior velocidade final. E o segundo desafio é mitigar o quanto possível ou até inverter a sustentação aerodinâmica.

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Este nome é autoexplicativo: com o ganho de velocidade, o fluxo de ar que passa esmagado entre o solo e o assoalho do veículo resulta em uma força de sustentação positiva, que vai erguendo o assoalho, tirando pressão dos pneus contra o solo e reduzindo o controle do veículo. Quanto maior a velocidade, maior a sustentação, que cresce em ritmo exponencial. A sensação que você tem de que o carro está leve ou flutuando em velocidades mais altas não é psicológica: é bem real.

A solução mais simples e rudimentar é tentar reduzir o fluxo de ar a entrar sob o assoalho com uma barreira física. Eis o famoso splitter, usado há mais de 50 anos no automobilismo nas categorias de protótipos e turismo. Embora tenha a sua eficácia e necessidade, o splitter sozinho não elimina o problema. O ar continua a escoar por em volta do splitter e pelas laterais do assoalho.

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Uma segunda solução é empregar aerofólios para literalmente pressionar o veículo contra o solo. Como que eles funcionam?

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O senso comum te diz que a asa funciona rebatendo o ar para cima, o que empurra o corpo para baixo. Mas o conceito que a faz funcionar é um pouco mais sofisticado do que isso. Quando você vê de perfil, a asa de um carro de corrida possui um desenho assimétrico: o perfil inferior é embarrigado (convexo), ficando mais mais longo que o superior (côncavo). Quando o ar flui por em volta deste corpo, o fluxo na parte inferior ganha velocidade e em decorrência, perde pressão, pelo princípio do tubo de Venturi (teorema de Bernoulli).

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Por que isso acontece? Porque, não havendo perdas energéticas ou compressão forçada do fluido (e o ar é um), a soma resultante das energias de pressão (potencial) e de velocidade (cinética) deve ser constante. Ou seja, se de alguma forma houver ganho de velocidade, a pressão necessariamente cai para que a soma de energia permaneça a mesma – a energia não pode se criar do nada ou desaparecer, não é mesmo? Então, o desenho do perfil da asa induz o ar a ganhar velocidade em sua parte inferior, e com isso a pressão ali cai para valores sub-atmosféricos. É esta diferença de pressão entre a parte de cima e de baixo que gera o downforce!

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Contudo, como você pode ver no Lotus 72D do Emerson Fittipaldi, o problema do colchão de ar sob o assoalho continua ali. Se você já tentou pressionar uma seringa cheia e com a saída fechada, sabe que chega uma hora que, não importa quanto de força você faça, o êmbolo não irá descer mais. Então fica claro que há um limite pro benefício dos splitters e das asas enquanto você não fizer algo em relação ao colchão de ar sob o carro.

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Surge então o conceito do carro-asa. Agora que você já sabe como um aerofólio funciona, fica simples de entender: o assoalho do carro é transformado em um túnel, um duto acelerador do fluxo de ar – exatamente como a parte inferior do aerofólio. Com o ar acelerado, a pressão aerodinâmica cai pelo princípio do tubo de Venturi. Para aumentar a eficácia deste efeito, as equipes de Fórmula 1 entre o fim da década de 1970 e começo da de 1980 selaram as laterais do assoalho em direção ao solo, com escovas ou borrachões retráteis.

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Além de gerar mais downforce que os aerofólios, esta solução gera muito menos arrasto. Seria quase a solução perfeita, não fossem dois problemas: a dificuldade de se calibrar o centro de pressão aerodinâmica (o balanço entre o quanto que o eixo dianteiro e o traseiro são pressionados contra o solo) e a súbita e severa instabilidade que acontecia quando este túnel sofria perturbações aerodinâmicas – por exemplo, em mergulhos, aclives ou quando o carro derrapava sutilmente de lado, o que literalmente derrubava o sistema (estol) e fazia o carro perder uma monstruosidade de aderência de uma vez. Por ser sensível, carros deste tipo precisam de cargas de suspensão absurdamente rígidas, pois até mesmo a rolagem da carroceria afeta o comportamento de fluxo.

Lembra que falamos sobre o calhamaço de papel que segura a Fórmula 1 para não virar coisa de alienígena? Os regulamentos limitaram o comprimento e a altura destes dutos, que também não podem mais ficar selados em relação ao solo. Com isso, o resultado são os difusores, versões miniatura dos carros-asa. Mas como os engenheiros da Fórmula 1 são especialistas em brechas, se você olhar com atenção, vai encontrar este tipo de túnel nos lugares mais inusitados até hoje.

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Ariel Fan Car: tirando o colchão na marra

A esta altura você já deve até ter esquecido do Ariel Fan Car – ou se perguntando se o link que você clicou na nossa fanpage do Facebook estava mesmo certo. É simples, meu caro: com tudo o que você leu até agora, deu para perceber a importância de se reduzir a pressão aerodinâmica sob o assoalho para gerar downforce. Refrescando a memória, isso é feito acelerando-se o fluxo de ar, pelo princípio do tubo de Venturi.

Tudo o que vimos até agora foram soluções plásticas, ou seja, que envolvem a forma dos corpos, para causar este efeito. Mas existe outra forma de acelerar o fluxo de ar: na marra, mecanicamente. Eis o mundo dos fan cars.

O pioneiro Jim Hall e seu Chaparral 2J 1970 (abaixo), o gênio Gordon Murray e seu Brabham BT46B 1978 (acima). Ambos eram equipados com exaustores – ou seja, ventiladores com as pás montadas para extrair o ar do assoalho, acelerando o fluxo – e é exatamente esta a solução que o Ariel Fan Car está apresentando hoje, quase meio século após a invenção do texano. A ventoinha do Brabham era conectada diretamente à transmissão, a do Chaparral usava um motor de snowmobile (moto de neve) Rockwell apenas para impulsionar os dois extratores – que geravam quase 700 kg de downforce. Era um carro com dois roncos simultâneos, portanto.

A grande vantagem dos fan cars é o fato de eles conseguirem gerar downforce literalmente com o carro até parado, resultando numa curva mais plana de downforce em relação à velocidade. Os carros-asa precisam de bastante vento relativo para produzir sustentação negativa, deixando o benefício limitado em trechos de baixa velocidade, como hairpins, cotovelos ou esses de baixa. Já os carros-ventoinha obtém vantagens mesmo nos trechos de frenagens nestes trechos mais lentos.

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O Ariel Aero-P, apresentado ontem pela marca, foi apelidado de The Vacuum Cleaner (“aspirador de pó”) pelos seus engenheiros, que assumem abertamente o aceno ao passado de Jim Hall e Gordon Murray. A razão do apelido está no som agudo produzido pelos dois extratores, alimentados por uma bateria exclusiva.

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Como podemos ver nas fotos, o Ariel Fan Car possui um assoalho selado com o chão, ao melhor estilo dos Fórmula 1 de efeito-solo, para potencializar o efeito. Mas note como a área de sucção vai até a dianteira, algo que seria impossível em um Fórmula: eles fizeram isso para que o sistema também gerasse uma enormidade de downforce para os pneus dianteiros. De acordo com o diretor da Ariel, Simon Saunders, a sucção é tão forte que fica claramente visível a suspensão assentando em direção ao chão quando as ventoinhas são ativadas.

A ilustração de CG acima é um pouco malandra: no carro real, o túnel é mais baixo na dianteira e mais alto na traseira, justamente para produzir o efeito de tubo de Venturi, potencializado pelos extratores. A saída de ar não está clara, mas certamente envolve os próprios extratores, que devem ficar em ângulo próximo ao do solo (talvez um pouco inclinados) e próximos ao transeixo.

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Embora eles não tenham divulgados números, de acordo com Saunders, o sistema está gerando quase três vezes mais downforce que os aerofólios testados. O sistema pode ser ativado de forma automática ou manual pelo piloto: em condições como rodagem urbana ou rodoviária, ele fica desligado para aumentar a eficácia energética (com a força vertical exercida para baixo, o veículo consome mais energia para se mover).

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Quer coisa mais descolada que um carro com uma inscrição totalmente aeronáutica “No Step”? Bem, por enquanto vamos ficar, literalmente, apenas querendo. Por enquanto, o Ariel Fan Car é apenas um conceito, que será apresentado amanhã e sexta-feira no complexo de testes Millbrook Proving Ground (Bedfordshire, Inglaterra).

Há uma série de desafios que o Ariel precisará enfrentar, caso queira um dia ser produzido em série: se questões como o vão livre para o solo em lombadas são intrigantes, a maior delas, e talvez incontornável, é a mesma que assola todos os carros de competição que geram quantidades assombrosas de downforce por efeito-solo. O comportamento dinâmico e aerodinâmico em situações de perturbações severas ao duto acelerador de ar. Em resumo, o que acontece quando o plugue do aspirador de pó é puxado momentaneamente em uma quebra de relevo, salto ou zebra mais alta.

 

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