A aerodinâmica na Fórmula 1

Aerodinâmica, pela Wikipédia, vem do grego antigo ἀήρ aer (ar) + δυναμική (dinâmica), é o estudo do movimento do ar, particularmente sua interação com um objeto sólido.

Nos dicionários é a parte da mecânica dos fluidos que estuda os gases em movimento, e em particular o movimento relativo entre o ar e os corpos sólidos.

Ou seja, é a parte da física que estuda os corpos que se movem através de fluidos, tais como o ar.

A aerodinâmica estuda a atuação de forças sobre os objetos no ar. As forças aerodinâmicas atuam sobre qualquer objeto que se desloca no ar. Aviões, barcos, automóveis, qualquer que seja o móvel que se desloque no ar sofre a ação de forças aerodinâmicas. Os engenheiros se baseiam nos princípios da aerodinâmica para construir, por exemplo, os aviões.

A construção dos primeiros aviões foi possível mediante o conhecimento e estudo dos princípios da aerodinâmica. Hoje a indústria aeronáutica produz qualquer tipo de aeronave com base nesses princípios, mas eles não se aplicam somente a aviões. Os arquitetos também utilizam os princípios da aerodinâmica para projetar e construir pontes e edifícios, pois para construí-los leva-se em conta a força do ar que atua sobre eles

Os princípios da aerodinâmica se aplicam também na indústria automobilística e na construção de objetos que se locomovem por meios que não sejam o ar, como por exemplo, os submarinos, ou seja, os princípios da aerodinâmica se aplicam também aos fluidos que não seja o ar.

Aerofólios traseiros

Na Fórmula 1 talvez apenas os sistemas de freios tenham evoluído tanto como a aerodinâmica, que foi intensivamente estudada, explorada e testada na categoria a partir da década de 1960 principalmente. Os engenheiros utilizam muito os princípios da aerodinâmica para fazer com que o carro consiga ter ao mesmo tempo estabilidade e bom desempenho nas pistas, tanto nas retas quanto nas curvas. Por esses carros serem muito velozes, eles são projetados para reduzir a resistência do ar e aumentar a força vertical descendente gerada pela carroceria e seus anexos, fazendo com que eles fiquem realmente “grudados” no chão. Para tanto eles utilizam os aerofólios, as placas externas, difusores e defletores laterais como medida para reduzir a resistência do ar

Os aerofólios funcionam baseados nos mesmos princípios de funcionamento das asas de um avião. A única diferença é que as asas do avião dão sustentação, enquanto nos carros, mais precisamente nos de fórmula 1, proporcionam uma força vertical descendente que segura o carro no solo. O funcionamento desse equipamento é uma aplicação da equação de Bernoulli. Essa equação fala da diferença de pressões do ar, fazendo com que o avião tenha sustentação e os carros fiquem grudados no chão. No caso do avião, por exemplo, a pressão do ar que passa sobre as suas asas é menor do que a pressão do ar que passa na parte debaixo, criando assim uma força de baixo para cima, sustentando o avião.

O GP da Bélgica de 1968, em Spa Francorchamps foi a  primeira vez na Fórmula 1 que um carro disputou um GP com uma espécie de asa sobre o motor.

Nas palavras de Franco Lini, diretor-esportivo da Ferrari na época:  “Mauro Forghieri (diretor-técnico da Ferrari na época) orientou a confecção e instalação daquela asa pessoalmente. Afinal, o modelo 312 da Ferrari era sua criação. Foi feita à mão mesmo, de madeira”, conta Lino. A ideia não era nova. Alguns anos antes, em 1966, o norte-americano Jim Hall, criador dos lendários carros Chaparral, adotou no seu modelo 2E, vencedor das 12 horas de Seabring, uma espécie de asa enorme, instalada em posição bastante elevada sobre o conjunto traseiro do seu esporte-protótipo

A  porção frontal da asa, chamada de Bordo de Ataque, por ser por onde a asa “corta” o ar, e a porção final, denominada de Bordo de Fuga, ou por onde o ar “deixa” a asa. O ar que flui em cima da asa é mais rápido que o que flui em baixo da asa. A aerodinâmica na F1 segue o princípio da utilizada na aviação, com uma diferença, no entanto: as asas dos carros são invertidas, ou seja, a porção curva fica em baixo e a mais reta em cima. Os aerofólios são asas, como as das aves ou aviões, mas colocados nos carros na posição invertida. O que é a parte de cima numa asa de avião é a parte de baixo nos aerofólios. E o que é a parte de baixo na asa é a de cima nos aerofólios. 

O carro, em vez de ter tendência a decolar, acaba mais pressionado contra o solo. Em outras palavras, torna-se mais estável, consegue contornar as curvas em maior velocidade. A força de um aerofólio traseiro na Fórmula 1 é algo próximo dos 300 quilos, em média, quando o carro está a 260 km/h.  Na Fórmula 1 essa pressão aerodinâmica sobre o carro se chama downforce, ou força para baixo.

Chris Amon, piloto da Ferrari que usou a asa pela primeira vez, tinha a opção de variar o seu ângulo de incidência. Um sistema de alavancas lhe permitia deixá-la paralela em relação ao solo nas retas, para gerar a menor resistência aerodinâmica possível, enquanto próximo às curvas, pouco antes de frear, aumentar o ângulo de incidência, a fim de gerar o máximo de pressão aerodinâmica, ou downforce, para aumentar a velocidade de contorno das curvas

Dois componentes podem ser usados para criar a downforce, durante a corrida: o chassi, ou o corpo do carro, e os aerofólios. A forma arredondada e afilada do chassi permite minimizar a resistência ao vento e provoca o chamado “efeito solo”, que mantém o carro praticamente colado à pista. A downforce criada pelos aerofólios ou asas depende da forma e sua orientação ou ângulo de ataque. Uma superfície, assim como um ângulo de ataque (ou inclinação) maiores, criam pressão maior. E ambos criam mais força de arrasto, que “segura” o carro enquanto ele se desloca.

Os primeiros experimentos com os aerofólios resultaram em alguns acidentes espetaculares e a FIA (Federação Internacional de Automobilismo) resolveu controlar o tamanho e a posição das asas, o que acontece até hoje. As regras é que variam de tempos em tempos

Muitos exageraram colocando asas bem altas nos carros em 1968 e 1969, enquanto não se definia um regulamento para elas. E, quando, no GP da Espanha, o carro de Jochen Rindt, da Lotus, se acidentou exatamente por causa dos altos aerofólios, estes foram proibidos. Para as corridas seguintes foram definidos aerofólios com apenas 20 centímetros acima do topo do pneu, em seu ponto mais alto.

Nos anos 1960, as regras para o aerofólio e seus aspectos e função foram definidas mais claramente e vigoraram por alguns anos. No início dos anos 1970, no que foi considerado um “toque de gênios”, Colin Chapman e o projetista Maurice Philipe equiparam a Lotus 72 com bico em forma de cunha, spoilers de laminas múltiplas e radiadores na traseira, encobertos pelos painéis laterais, a fim de tirar o máximo proveito do ar para a fixação do carro o mais perto do solo possível. Graças a esse uso revolucionário da aerodinâmica, Emerson Fittipaldi foi campeão em 1972 e a Lótus 72 tornou-se referência para todos os demais carros da Fórmula 1.

Em meados da década de 1970, por exemplo, surgiu o chamado “efeito solo”. Os engenheiros da equipe Lotus fizeram um desenho especial para diminuir a pressão do ar na parte de baixo do carro, fazendo com que o Fórmula 1 andasse grudado no chão, contornando as curvas em alta velocidade e com perfeição.

Em 1976, quando o Lotus 72 entrava em declínio, Colin Chapam teve nova ideia inovadora, o MK 78. Para isolar o ar que passa sob o carro, criou abas laterais de plástico ou alumínio, que seguiam os movimentos do chassi e mantinham a diferença de pressão. Essas “minissaias”, que se aproximavam do solo, faziam que o ar passasse mais rápido sob o carro do que sobre o chassi, proporcionando mais aderência, estabilidade e, claro, velocidade. A partir do principio da asa invertida, Colin projetou o chamado “carro-asa”, que praticamente tocava o chão e provocava um grande ganho aerodinâmico graças ao que ficou conhecido como “efeito solo”.  Com esse carro, no modelo MK 78, pilotado por Mário Andretti, a Lotus venceu 5 provas do campeonato de 1977 e. com o seu sucessor o, MK 79, em 1978, Andretti conquistou o título de campeão entre os pilotos e a equipe, que tinha também Ronnie Petterson, o dos construtores.

O sucesso do “carro-asa” fez com que quase todas as equipes passassem a usar as “minissaias” e o “efeito solo”, fazendo com que as velocidades disparassem e recordes fossem quebrados a cada corrida. A FIA, preocupada com os riscos decorrentes desse aumento das médias de velocidade, resolveu, em 1982, banir as “minissaias” e, em 1982, proibir artifícios aos quais as equipes recorreram para continuar a criar o “efeito solo”. Entre as medidas adotadas nesses dois anos, a entidade mundial passou a exigir que a altura mínima das saias fosse de 6 cm e que os carros passassem, a ter um fundo plano.

Uma nova grande revolução aerodinâmica na F1 só voltou a ocorrer em 2009, com a criação, pelo engenheiro Ross Brawn, da Brawan GP, difusor duplo, componente aerodinâmico, que aumentava o fluxo de ar sob o carro e, portanto, a pressão aerodinâmica (downforce) e a aderência. Com essa inovação, a equipe de Brawn, no seu primeiro ano, que tinha como pilotos Jenson Button e Rubens Barrichello, ganhou o campeonato de pilotos (com Button) e o dos construtores

Em 2010, a Mercedes, sucessora da Brawn, não teve o mesmo sucesso, mas, alvo de protestos e reclamações das outras equipes, o difusor duplo foi proibido pela FIA para o campeonato de 2011. Também foram proibidos o duto frontal (duto-F), acionado com os joelhos pelos pilotos, para controlar o fluxo do ar e o retrovisores, cujas hastes também eram usadas dirigir esse fluxo. Outros componentes aerodinâmicos, como a bigorna (cobertura do motor), e as rodas de raios passaram a ter medidas e uso controlados.

A busca de novos componentes aerodinâmicos é uma preocupação constante dos engenheiros da Fórmula 1. Como qualquer parte do carro (asas, suspensão, laterais, tomadas de ar, defletores, fundo plano, lastro e até o capacete do piloto), pode ter uma função aerodinâmica, igualando as equipes, qualquer “invenção” pode fazer a diferença. Para fazer experiências e testes que possam levar a essas descobertas, os engenheiros têm duas ferramentas básicas: o CFD (Computional Fluid Dynamics – Dinâmica Computacional dos Fluidos) e o túnel de vento. O CFD é um programa de computador que, usando as leis da física, cria um modelo virtual do carro e faz previsões sobre os efeitos sobre o downforce e o arrasto ou sobre como o carro vai se comportar conforme as condições de vento, mudanças de clima e nas diferentes pistas. Os resultados são depois testados no túnel de vento, uma instalação para simulação dos efeitos da movimentação do ar sobre o carro. Ele faz um verdadeiro raio-X aerodinâmico, medindo o arrasto, os níveis de pressão aerodinâmica e os efeitos do fluxo do ar sobre as várias partes do carro. Em todas as fases de testes, sete itens são as preocupações maiores dos projetistas: ângulo das asas, altura do carro, componentes, assoalho, torque, arrasto x downforce e a dinâmica dos fluidos. Através da dinâmica dos fluidos, os engenheiros estabelecem o coeficiente aerodinâmico do carro, isto é, a medida da  intensidade do arrasto ou resistência do ar. Um coeficiente baixo, significa mais velocidade, menos consumo: um coeficiente alto representa o aumento da resistência do ar;  desaceleração e redução da velocidade.

Depois de aprovado no túnel de vento, os carros são levados para a pista, onde são feitos os últimos acertos, de acordo com a configuração de cada circuito do calendário da Fórmula 1.

O problema dessa constante evolução aerodinâmica é que ela cobrou um preço na emoção das corridas. Como os carros viraram verdadeiros jatos em função dos recursos aerodinâmicos, eles deixam uma forte onda de turbulência para o carro que vem logo atrás. Fazer uma ultrapassagem fica quase impossível.

Para resolver isso, em 2011 a Fórmula 1 criou o DRS (Drag Reduction System), mais conhecido no Brasil como “asa móvel”.
Esse sistema permite que, nas retas, durante uma tentativa de ultrapassagem, o piloto abra a asa traseira, deixando o ar correr livre e eliminando o downforce, que está originalmente no carro para ajudá-lo no contorno de curva. Isso faz com que o carro ande mais rápido por alguns metros e o piloto conclua a manobra.
Assim que pisa no freio, o DRS é automaticamente desativado e ele volta a ter equilíbrio no carro, para os trechos mais sinuosos.
O Conselho Mundial da Federação Internacional de Automobilismo (FIA) aprovou, em reunião na cidade de Manila (Filipinas), um novo pacote de regras para a aerodinâmica dos carros da Fórmula 1 a partir da temporada de 2019. O objetivo é permitir que os carros possam andar mais juntos na pista, o que proporcionaria mais disputas e ultrapassagens.
As principais mudanças serão no desenho e concepção das duas asas. Na dianteira, o desenho será simplificado, enquanto a traseira será mais larga e profunda. A intenção do grupo da FIA liderado por Pat Symonds, ex-diretor de Benetton, Renault e Williams, é que o ar direcionado para o carro que vai atrás seja mais limpo, ou seja, menos turbulento.

No aspecto aerodinâmico, haverá alterações nos defletores localizados nas laterais ao lado do cockpit. A ideia é a mesma em relação às asas, ou seja, simplificar o direcionamento de ar com o objetivo de direcionar um ar menos “sujo” para trás do carro.

Outra mudança será nos discos de freios, que passarão a ter dutos de refrigeração restritos e simplificação da aerodinâmica no entorno. A ideia é que os carros passem a frear mais cedo antes das curvas e, com essa área de frenagem aumentada, os pilotos possam executar mais manobras de ultrapassagem.
Outras alterações na aerodinâmica dos carros serão adotadas visando à temporada de 2021, quando um grande pacote técnico/desportivo será aprovado em conjunto entre equipes, a FIA, e o Liberty Media, grupo americano que controla os interesses comerciais da Fórmula 1.
Fontes:
http://www.enciclopediaf1.com.br/por_dentro_da_f1/aerodinamica
https://www.f1technical.net/features/21879
https://www.f1technical.net/articles/10?sid=5fb64dda91296d013115b8ae8bf82974
https://www.f1technical.net/articles/4577?sid=5fb64dda91296d013115b8ae8bf82974
https://www.fia.com/regulation/category/110
http://autosprint.corrieredellosport.it/news/formula1/2018/11/14-1814110/formula_1_2019_brawn_ottimista_su_nuove_ali_smedley_realista/
https://motorsport.nextgen-auto.com/Diffuser-ban-to-make-F1-cars-two-seconds-slower,5819.html
https://grandpx.news/beating-aerodynamics-getting-cooling-headaches/
https://www.formula1.com/en/championship/inside-f1/understanding-f1-racing/Aerodynamics.html
https://www.bbc.com/sport/formula1/20264490
https://www.quora.com/What-are-the-main-aerodynamic-aspects-of-a-formula-1-car

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