Zé Ruela no Túnel - Parte II

Antes de postar qualquer resultado sobre o modelo que o Gonzo desenhou eu decidi explicar um pouco mais detalhadamente alguns termos.

Conforme o Gonzo já adiantou, os termos pressão estática, pressão dinâmica e pressão total serão utilizados em todos os post daqui pra frente. Estes conceitos são análogos aos conceitos de energia potencial e cinética. Uma bola a dois metros de altura tem uma quantidade de energia potencial assim como um gás dentro de um extintor de incêndio tem uma quantidade de pressão estática e, por sua vez, energia potencial. Uma bola voando a uma determinada velocidade tem uma quantidade de energia cinética, assim como uma partícula de ar escoando a uma determinada velocidade tem uma pressão dinâmica e, por sua vez, uma energia cinética. A bola parada a dois metros de altura pode cair e transformar sua energia potencial em cinética, da mesma forma uma partícula de fluido pode transformar sua pressão estática em pressão dinâmica (por exemplo, quando você abre a válvula do extintor de incêndio) e vice-versa.

A pressão total é a pressão estática + dinâmica. Em uma condição em que não ocorrem perdas a pressão total se conserva e, portanto, a soma entre a pressão estática e pressão dinâmica é sempre a mesma. Os engenheiros viram na faculdade a equação de Bernoulli que coloca exatamente esta conservação de pressão total. O escoamento por um funil terá velocidade baixa/pressão estática alta na entrada e velocidade alta/pressão estática baixa no gargalo.

Em aerodinâmica de veículos tudo gira em torno do gerenciamento da pressão ao longo da superfície do veiculo. Deseja-se pressão estática alta sobre as superfícies e pressão estática baixa sob as superfícies (não importa muito a pressão dinâmica) para que downforce seja gerado. Idealmente deseja-se também pressão estática razoavelmente alta atrás das superfícies e pressão estática razoavelmente baixa na frente das superfícies do veículo para que o arrasto seja minimizado.

Portanto, a maneira mais direta de se analisar as forças aerodinâmicas é olhando a pressão estática atuando na superfície do veículo. Ensaios em túnel de vento, medidas em pista e analises de CFD medem/calculam as forças em cada direção e a pressão estática em determinados pontos.

Uma outra maneira (indireta) para analisar o arrasto aerodinâmico de um veículo é através da pressão total do escoamento. Conforme escrevi, se o escoamento não perde energia a pressão total permanece constante. E se o escoamento perde energia, esta energia tem que ir para algum lugar e esse lugar é o carro! Então a análise da quantidade de energia que o escoamento tem em determinadas regiões é um indicativo de quais regiões do veiculo estão retirando grandes quantidades de energia do escoamento, ou seja, estão produzindo arrasto.

Abaixo eu coloco os primeiros resultados do modelo Gonzalez. Ainda não quero discutir os resultados, mas apenas utilizá-los como forma de ilustrar o que escrevi acima. A primeira animação mostra a velocidade do escoamento ao longo do veículo (vermelho=velocidade alta, azul=velocidade baixa) :

Antes de ver a animação a seguir mostrando o campo de pressão estática, podemos prever que nas regiões em que a velocidade é alta, a pressão estática será baixa! Olhem principalmente na asa dianteira, onde a região superior tem pressão estática alta e a região inferior tem pressão estática baixa, o que resulta em força para baixo (vermelho=pressão alta, azul=pressão baixa):

As imagens abaixo ilustram bem esta relação velocidade X pressão estática. Esta relação é simples e direta desta forma sempre que a pressão total permanece constante, ou seja, quando as perdas são pequenas.

A animação a seguir mostra o campo de pressão total (vermelho=pressão alta, azul=pressão baixa). Conforme comentado acima, se não ocorrem perdas a pressão total permanece constante. Portanto, é possível identificar a quantidade de arrasto gerado em cada região do carro analisando quanto da pressão total o fluido perde ao passar por ali:

Percebe-se que o arrasto gerado pelo pneu é dominante sobre o arrasto gerado pela asa! Mesmo assim a asa gera uma quantidade grande de arrasto e o principal motivo neste caso é a ausência do End Plate. A imagem abaixo mostra o campo de pressão total logo atrás da asa, percebam o circulo azul que é formado na ponta da asa:

A quantidade de energia perdida ali (= arrasto gerado) é enorme! Some-se a isto o fato de que um end plate por reduzir o arrasto gerado pelo pneu e fica fácil entender porque as equipes de F1 trabalham tanto neste elemento.