Características Aerodinâmicas

O arrasto é normalmente definido como uma força longitudinal gerada pela resistência aerodinâmica, resistência ao rolamento, resistência à inclinação da pista, ou resistência à própria aceleração de um veículo.

Para um corpo sólido, imerso em um fluido viscoso, o arrasto aerodinâmico acontece em função do atrito viscoso oriundo do movimento relativo entre este corpo e o fluido, e pode ser obtido pela seguinte equação:

FA = 1/2.ρar.Af.cd.v2 (06)

Nesta equação, ρar é a densidade do ar (1,2 kg/m3); Af é área frontal do corpo

(m2_{); c}

d é o coeficiente de arrasto aerodinâmico (adimensional); e v é a velocidade

relativa entre o corpo sólido e o ar (m/s).

Conforme Munson et al. (2004, apud DE SOUSA e GONÇALVES, 2013, p. 05), "Os corpos aerodinâmicos (como aerofólios e carros de corrida) provocam poucos efeitos no escoamento se comparados com aqueles provocados pelos corpos rombudos (como pára-quedas e edifícios)". Isto posto, do ponto de vista do design, convém ponderar sobre os fatores que contribuem de maneira mais significativa para o melhoramento do desempenho de qualquer veículo e que estão,

em sua maioria, relacionados com as características aerodinâmicas. Dominar conhecimento sobre essas características, reflete-se favoravelmente na diminuição do consumo de energia do mesmo. Menor arrasto, menor consumo.

As origens do arrasto aerodinâmico estão basicamente relacionadas à fricção e à pressão. Conforme ilustrado respectivamente pelas figuras 12 e 14, o arrasto por fricção - ou resistência à fricção, é gerado entre o ar que flui pela carenagem do veículo e a superfície desta carenagem. Já o arrasto de pressão - ou resistência à pressão, está relacionado à força normal que atua sobre a carenagem do veículo em estudo.

Figura 12 - Tensão de cisalhamento τ, tangencial à superfície do corpo do veículo.

Fonte: Santin et al. (2007).

Imediatamente acima da superfície da carenagem, existe uma fina região na qual a velocidade do fluxo de ar depende da distância deste fluxo até a superfície. Denominada de camada limite, a espessura desta região corresponde à distância do fluxo à superfície. Esta distância aumenta ao longo da linha de fluxo, de acordo com seu deslocamento do fluxo em relação à borda inicial de uma placa plana, conforme representado na Figura 13.

Santin (2007) observa que a tensão de cisalhamento e o arrasto de fricção resultante dependem da natureza do fluxo de ar na camada limite e que, em geral, os fluxos laminares são menos causadores das tensões de cisalhamento do que os fluxos turbulentos.

Uma maneira de descrever a condição de escoamento do fluxo de ar - i. e., se é laminar ou é turbulenta, é pelo número de Reynolds, que é um parâmetro adimensional definido como a razão entre os efeitos da inércia e os efeitos da viscosidade e representado pela expressão a seguir:

Re = ρvL / µ (07)

Nesta equação, v é a velocidade de escoamento do fluxo de ar; ρ é a densidade do fluido; µ é o coeficiente de viscosidade dinâmica do fluido; e L é o comprimento do corpo. Conforme descrevem de Sousa e Gonçalves (2013), um número de Reynolds baixo indica uma grande região ao redor de uma superfície sendo afetada por efeitos viscoso; o fluxo é estável e o regime de escoamento é dito laminar.

Figura 13 - Perfis de fluxos de velocidade para uma superfície plana.

Fonte: Santin et al. (2007).

Figura 14 - Pressão p, atuando normal à superfície do corpo do veículo.

Fonte: Santin et al. (2007).

Na medida em que Re aumenta, esta região vai encolhendo até que, para um valor alto de Re, os efeitos da viscosidade são praticamente desprezíveis. Nesta situação, uma série de eventos complexos poderá eventualmente acarretar uma mudança radical de comportamento do fluxo que, em seu estado final, será aleatório

e caótico. Versteeg e Malalasekera (1995) observam que, mesmo sob condições de fronteira impostas como constantes, o movimento é demasiado instável.

A velocidade e todas as outras propriedades de fluxo variam de forma aleatória e caótica. Este regime é chamado fluxo turbulento. A natureza aleatória do fluxo turbulento exclui cálculos baseados em uma descrição completa do movimento de todas as partículas fluidas (VERSTEEG e MALALASEKERA, 1995, p. 42, tradução nossa).

Santin et al. (2007) distingue o arrasto de pressão em quatro tipos, os quais podem ser originados por: (i) separação do fluxo - quando o gradiente de pressão ao longo da linha de fluxo torna-se tão alto que não é capaz de seguir a superfície do corpo do veículo, separando-se do mesmo; (ii) arrasto induzido - quando a geometria do corpo de um veículo está imerso em um fluxo contínuo de ar, gerando forças de sustentação (lift force), ou efeito solo (downforce); (iii) arrasto de interferência - quando dois corpos veiculares estão próximos um do outro num mesmo fluxo de ar, a sobreposição dos campos de pressão que os envolvem altera as propriedades do fluxo de ar, podendo aumentar a força de arrasto aerodinâmico total sobre os dois corpos, como se estes estivessem agregados; ou (iv) perda de pressão na camada limite - caso de um veículo com corpo afilado sem separações de fluxo, criando assim uma camada limite única sobre toda a superfície do corpo do veículo.Ainda que o arrasto de pressão seja relativamente pequeno em relação ao arrasto de fricção no veículo todo, isso não deve deixar de ser considerado.

Assumindo que o arrasto de pressão tenha sido reduzido a um mínimo, o arrasto de fricção é dominante em veículos afilados. O arrasto de fricção é proporcional à superfície do veículo envolvida pelo ar, denominada de área molhada. Assim, para minimizar esta fonte de arrasto, a superfície de um veículo deve ser minimizada (SANTIN et al, 2007, p. 96, tradução nossa)

Bem como a importância do conhecimento das distribuições das forças de cisalhamento e pressão ao longo da superfície de um sólido qualquer, a percepção da forma é igualmente necessária, principalmente para evitar geometrias complexas. No desenho de uma carenagem, a geometria deve ser definida em favor da diminuição do arrasto aerodinâmico em níveis cada vez menores. Por outro viés, uma mesma geometria comporta-se distintamente ao nível do solo, ou em um fluxo de ar livre - i. e., sem referência de solo, conforme ilustra a Figura 15.

Figura 15 - Comportamento de uma mesma forma simétrica, em duas configurações.

Fonte: Santin et al. (2007).

Ao ar livre, um veículo cujo corpo foi desenhado com simetria, não gera força de sustentação nem efeito solo. Este mesmo veículo, quando ao nível do solo gera

downforce, em função da diminuição de área entre a parte de baixo da carenagem

do veículo e o solo. Neste caso tem-se um comportamento semelhante a um tubo de Venturi, onde a velocidade aumenta e a pressão diminui na direção do estreitamento do tubo, gerando a força descendente.

Para evitar que as forças descendentes sejam predominantes no corpo do veículo ao nível do solo, pode-se desenhá-lo assimétrico, ou ligeiramente curvo na parte de cima e plano na parte de baixo, conforme ilustrado pela Figura 16.

Figura 16 - Comportamento de uma mesma forma curva, em duas configurações.

Fonte: Santin et al. (2007).

Cardoso Rosa (2013, p. 53) salienta que "O interesse em economia de combustível resultou em importantes incentivos para se chegar a projetos de automóveis que apresentam eficiente desempenho aerodinâmico e ao mesmo tempo formas atraentes". Entretanto, embora seja a gota a forma que propicia mais vantagens à redução do arrasto aerodinâmico, aquele autor pondera que ela não

é o desenho mais adequado ao carenamento de veículos, dada a variação da distância ao solo ao longo do seu comprimento, o que interfere no escoamento do fluxo de ar na parte inferior do veículo, conforme já visualizado na Figura 15.

Ainda que a redução do arrasto aerodinâmico seja um objetivo bastante relevante no projeto de veículos de alta eficiência, via de regra, as competições de economia de energia vetam o uso de dispositivos e/ou apêndices externos fixados à carenagem para o cumprimento daquele objetivo.

Na Figura 17 observa-se a redução no coeficiente de arrasto dos automóveis de passeio, em um século de evolução no design da carenagem.

Figura 17 - Evolução do cd ao longo século XX.

Fonte: White (1999).