Aerodinâmica

por Patrick E. George - traduzido por HowStuffWorks Brasil

Não é algo agradável de fazer, mas imagine o que acontece a um carro a 100 km/h batendo num muro de concreto. Partes metálicas retorcidas e rasgadas. Vidros estilhaçados. Airbags se inflando para proteger os ocupantes – mas nesse tipo de acidente não ajudariam muito. Por mais seguros que sejam os carros atuais, eles não foram feitos para furar um muro de concreto.

Só que há um tipo de parede que os carros conseguem atravessar – e fazem isso há muito tempo. É o muro de ar, cuja resistência os carros têm que vencer para se mover.

Não é fácil pensar no ar ou no vento como um parede. Em baixa velocidade, em dias com pouco vento, é difícil perceber como o ar interage com nossos veículos. Mas em alta velocidade, ou sob vento excepcionalmente forte, a resistência do ar (a força que o ar exerce sobre um objeto em movimento – também chamada de arrasto) tem enorme efeito sobre a aceleração, a dirigibilidade e o consumo de um carro.

Nesta hora entra em cena a ciência da aerodinâmica. Aerodinâmica é o estudo do ar em movimento e das forças exercidas por ele sobre objetos sólidos [fonte – Nasa, em ingles]. Há décadas se projetam carros tendo em mente a aerodinâmica, e os fabricantes de carros puseram em uso inovações que tornam mais fácil cortar o muro de ar, diminuindo seu efeito adverso.

Na essência, projetar um carro levando em consideração o fluxo de ar significa que ele vai ter menos dificuldade para acelerar e vai ter menor consumo de combustível porque o motor não tem que trabalhar tanto para empurrar o carro através da parede de ar.

Os engenheiros desenvolveram várias maneiras de fazer isso. Por exemplo, para que o ar flua ao redor do carro com a menor resistência possível, as carrocerias são arredondadas e têm partes que canalizam o ar. Alguns carros de alto desempenho têm até partes projetadas para levar o ar a se mover de forma suave sob sua parte inferior. Em determinados modelos há aerofólios (também chamados de asas ou spoilers) para evitar que o ar “puxe” para cima o carro – criando sustentação, o que diminui sua estabilidade. Mas na maioria dos carros a suposta peça aerodinâmica está lá apenas como enfeite – você verá a explicação adiante.

Neste artigo vamos examinar a física da aerodinâmica e da resistência do ar e a história de como os carros têm sido projetados levando isso em conta, além de explicar por que a tendência de carros ecológicos dá mais importância que nunca à aerodinâmica.
 

A ciência da aerodinâmica

Antes de ver como a aerodinâmica é aplicada aos automóveis, vamos refrescar a memória em relação à física, para entender a ideia básica.

Conforme um objeto se move pela atmosfera ele desloca o ar que o cerca. O objeto também fica sujeito à gravidade e ao arrasto. O arrasto é gerado quando um objeto sólido se move através de um meio fluido como a água ou o ar. O arrasto aumenta com a velocidade – quanto mais velozmente o objeto se move, mais arrasto ele sofre.

Medimos o movimento de um objeto usando os fatores descritos nas Leis de Newton (em inglês). Estão incluídas massa, velocidade, peso, força externa e aceleração.

O arrasto tem efeito direto sobre a aceleração. A aceleração (a) de um objeto é seu peso (P) menos o arrasto (Fa) dividido por sua massa (m). É bom lembrar que o peso é a massa de um objeto multiplicada pela força de gravidade que atua sobre ele. Seu peso mudaria na Lua porque a gravidade lá é mais baixa, mas sua massa permaneceria a mesma. Para simplificar:

a = (P - Fa) / m                                    (fonte: Nasa - em inglês)

Conforme um objeto acelera, sua velocidade e o arrasto aumentam, até que o arrasto seja igual ao peso – situação em que não há mais aceleração. Digamos que o objeto nessa equação seja um carro. Isso significa que conforme o carro se move cada vez mais rápido, mais e mais ar se opõe a ele, limitando sua aceleração e sua velocidade.

Como isso se aplica ao projeto de um carro? Bem, é útil para descobrir um número importante – o coeficiente de arrasto. Esse é um dos fatores primários a determinar quão facilmente um objeto se move cortando o ar. O coeficiente de arrasto (Cx)  é igual ao arrasto (Fa) dividido pelo produto da velocidade (V) ao quadrado multiplicada pela área (A) multiplicada por metade da densidade do ar (p). Para facilitar a leitura:

Cx = Fa / (A * 0,5 * p * V^2)                    [fonte: Nasa - em inglês]

O coeficiente de arrasto

Acabamos de ver que o coeficiente de arrasto (Cx) é um número que mede a força exercida sobre um objeto – por exemplo, um carro - pela resistência do ar. Agora imagine a força do ar contrária ao carro conforme ele se move numa rodovia. A 120 km/h a força agindo contra o carro é quatro vezes maior que a verificada quando o carro está a 60 km/h [fonte: Elliott-Sink - em inglês].

A capacidade aerodinâmica de um carro é medida usando o coeficiente de arrasto do veículo. Na essência, quanto mais baixo o Cx, mais aerodinâmico é o carro – e mais facilmente ele se move através da parede de ar contrária a ele.

Vamos ver alguns números de Cx. Por exemplo, dos modelos quadradões da Volvo (em inglês) da década de 70 e 80 do século passado. Um Volvo 960 sedã tem Cx de 0,36. Os Volvo mais novos são muito mais suaves e curvilíneos – e um S80 sedã tem Cx de 0,28 [fonte: Elliott-Sink - em inglês]. Isso mostra uma coisa que você talvez já tenha deduzido – formas mais suaves e afiladas são mais aerodinâmicas que os “caixotes”. Por que isso acontece?

É bom dar uma olhada na coisa mais aerodinâmica da natureza – uma gota de água. Ela é suave e arredondada, e se afina no topo. O ar flui suavemente ao seu redor conforme ela cai em direção ao solo. Sucede o mesmo com os carros – superfícies suaves e arredondadas permitem que o ar flua ao redor do veículo, reduzindo o “empurrão” do ar contra a carroceria.

A maioria dos carros atuais tem um Cx de perto de 0,30. Utilitários esportivos, que tendem a ser mais quadradões que os carros, porque são maiores, levam mais gente e frequentemente precisam de grades mais amplas para ajudar a refrigerar o motor, têm Cx entre 0,30 e 0,40. Nas picapes (em inglês), propositalmente quadradonas, o número fica próximo a 0,40 [fonte: Siuru - em inglês].

Muita gente contestou o visual “único” do Toyota Prius, um carro híbrido, mas ele tem uma forma extremamente aerodinâmica por uma boa razão. É uma de suas características de eficiência, com seu Cx de 0,26 ajudando na obtenção de um consumo baixíssimo. A redução do Cx de um carro em 0,01 pode diminuir o consumo em 0,09 km/l [source: Siuru - em inglês].

Dispositivos aerodinâmicos

A aerodinâmica envolve mais do que apenas o arrasto – há outros fatores, chamados sustentação e downforce (sustentação negativa). Sustentação é a força que se opõe ao peso de um objeto, elevando-o e mantendo-o no ar. A sustentação negativa é seu oposto – uma força que empurra o objeto em direção ao solo [fonte: Nasa - em inglês].

Você acha que o coeficiente de arrasto de um carro de F-1 é superbaixo? Afinal, um carro superaerodinâmico deve ser muito veloz. Bem, não é assim num F-1. Os carros dessa categoria têm Cx por volta de 0,70.

©iStockphoto.com/Tan Kian Khoon
Os carros de F-1 são aerodinamicamente projetados para gerar o máximo de downforce (sustentação negativa)

 
Por que um supercarro que supera 330 km/h não é lá muito aerodinâmico? Porque um F-1 é projetado para ter o máximo possível de downforce. Pelas altíssimas velocidades atingidas – e por seu baixíssimo peso (em inglês) – esses carros começam a ter sustentação e tendem a decolar, como um avião. Obviamente  carros não devem voar, e se um carro perde o contato com o chão quando em alta velocidade pode haver um sério acidente. Por isso, a sustentação negativa deve ser ampliada   - e a forma de fazer isso leva a um elevado Cx.

Os carros de F-1 conseguem sustentação negativa graças a aerofólios ou defletores montados na frente e na traseira. Os aerofólios criam diferenças de pressão que literalmente empurram o carro em direção ao solo – é a sustentação negativa. Isso aumenta a velocidade em curvas, mas tem que ser cuidadosamente balanceado para que o carro tenha velocidade suficiente nas retas. [fonte: Smith - em inglês].

Vários carros de rua têm acessórios aerodinâmicos que geram sustentação negativa. O Nissan GT-R, por exemplo, criticado por sua aparência, tem a carroceria toda projetada para permitir que o ar flua sobre o carro e chegue ao aerofólio traseiro ovalado, gerando um bocado de downforce. Na Ferrari 599 GTB Fiorano (em inglês) as colunas B (atrás dos bancos) vazadas canalizam o ar para a traseira, reduzindo o arrasto [fonte: Classic Driver - em inglês].

Mas e os defletores e outras peças aerodinâmicas em carros do dia a dia? São realmente aerodinâmicos? Em alguns casos, os dispositivos aumentam a estabilidade em alta velocidade. Por exemplo, o Audi TT inicialmente não tinha um defletor no capô traseiro, mas a Audi instalou um quando se descobriu que a carroceria arredondada criava muita sustentação, o que pode ter provocado acidentes [fonte: Edgar - em inglês].

Só que na maioria dos casos a colocação de um grande aerofólio na traseira de um carro comum não vai melhorar muito o desempenho nem a dirigibilidade – se é que vai melhorar alguma coisa. Em alguns casos, pode haver piora no comportamento do carro – que pode, por exemplo, ter dificuldade em fazer curvas, ou passar a sair de frente.