Aerodinâmica Arrasto Coeficiente de Arrasto

Resumo- Este trabalho traz, primeiramente, um breve histórico sobre a criação dos veículos no Brasil e no mundo, depois faz uma revisão sobre aerodinâmica e sobre a força de arrasto. Fala-se sobre o arrasto em veículos, que é de extrema importância para o consumo, a dirigibilidade e a velocidade máxima do mesmo. Analisa-se as mudanças apresentadas pelas construtoras, a fim de significativas melhoras e quanto os coeficientes de arrasto diminuíram com o passar dos anos e a evolução da tecnologia.

Palavras-chave: Aerodinâmica. Arrasto. Coeficiente de arrasto.

Introdução

        No Brasil e no mundo, um dos principais meios de locomoção, seja para deslocamento pessoal ou para transporte de pequenas cargas e grandes cargas, é o automóvel. Pela primeira vez projetado, ainda no século XV, pelo pintor e inventor italiano Leonardo Da Vinci, o automóvel só foi fabricado três séculos depois, a partir do aperfeiçoamento da máquina a vapor.  Foi assim que no ano de 1769, o engenheiro francês Nicolas-Joseph Cugnot criou a primeira versão conhecida do que viria a ser o automóvel, sendo modificado e nos anos seguintes já circulavam ônibus movidos a vapor em algumas cidades.

        Os automóveis como são conhecidos atualmente só puderam ser criados a partir do ano de 1850, quando foi inventado o motor a explosão e foi usado o petróleo como combustível. No Brasil, o primeiro automóvel deste modelo (movido a combustão de petróleo), estima-se que foi utilizado em 1893.

        Desde 1910, com a evolução e o aumento da potência dos automóveis tornou-se cada vez mais importante o aperfeiçoamento do formato do veículo, assim as fábricas passaram a investir em pesquisas. Além de ser um requisito estético, as curvas de um veículo podem interferir no consumo de combustível, aumentando ou diminuindo o mesmo. Isso ocorre devido as forças aerodinâmicas exercidas sobre o corpo do veículo, entre elas, a força de arrasto.  

A força de arrasto é a força de resistência de um fluido que atua contra o movimento do objeto, no caso abordado o objeto considerado é um automóvel.

Desenvolvimento

Aerodinâmica

Definição

        A análise do escoamento sobre corpos imersos é uma área da mecânica dos fluidos que estuda a passagem de um fluido envolvendo um objeto sólido, como um submarino quando está submerso nas águas do mar. Quando o fluido a ser analisado é o ar, esse estudo é denominado como aerodinâmica.

        A aerodinâmica é a área que vai estudar todos os efeitos causados no objeto pelo ar. São estudados o efeito tanto do fluido em direção ao objeto sólido quanto do objeto sólido indo em direção ao fluido, como é o caso dos veículos e dos aviões. Dos efeitos causados pelo ar no objeto são estudados principalmente o empuxo, a sustentação e o arrasto. Nos automóveis o principal deles é o arrasto.

A força de arrasto é uma força de resistência gerada por um fluido em um objeto sólido em movimento, ou seja, o objeto sólido em movimento precisa cruzar uma “parede” de fluido ao se deslocar, sendo maior a força de arrasto se maior é a área e a velocidade do objeto sólido.  A força de arrasto pode ser visualizada na figura 1.

[pic 1]

Na figura 1 é mostrado como age a força de arrasto, observe que a força de arrasto na frente do carro, onde há o contato direto com a “parede” de ar é máxima e a força de arrasto logo após o carro é zero, ou seja, ao “empurrar” o ar a sua frente, o carro cria uma área de alta pressão na sua dianteira, criando assim uma área de baixa pressão na sua traseira “sugando” o ar naquele ponto.

Qualquer objeto que se movimenta na atmosfera sofre a ação de forças que atuam em sua superfície de contato com o ar. “Essas forças podem ser escritas em função da tensão de cisalhamento, τ, na parede, provocada por efeitos viscosos, e da tensão normal que é devida à pressão p” (MUNSON et al., 2004, p.483).

        O arrasto pode ser equacionado como a integração das tensões de cisalhamento e normais ao corpo considerado. Analisando a ilustração 2, observa-se:

                                                                                                           (1)[pic 2]

[pic 3]

Como o arrasto é a integração da força resultante na componente axial, sendo D a força de arrasto, logo:

[pic 4]

Porém para fazer o cálculo de tal equação deve-se conhecer a área do corpo, como dito anteriormente o formato do corpo influencia na força de arrasto. Assim é possível através de um diagrama de corpo livre determinar as distribuições de  e p na superfície do corpo, mas se o corpo for de uma geometria complexa, torna-se difícil determinar a tensão de cisalhamento e a pressão no corpo. Para tal dificuldade a alternativa encontrada foi a utilização de coeficientes de arrasto, descritos pela equação a seguir.[pic 5]

[pic 6]

 Onde D é o arrasto,  é a densidade do ar, v é a velocidade do objeto e A é a área de projeção do objeto.[pic 7]

Para a determinação dos coeficientes de arrasto de cada objeto, a forma utilizada atualmente é a empírica, utilizando-se de túneis de vento, que são túneis com ventiladores grandes que geram grande quantidade de vento no objeto estudado, para que assim possa-se observar o que ocorre com o vento quando toca o objeto e para determinar o coeficiente de arrasto.

Escoamento sobre objetos sólidos dependem de vários parâmetros, entre eles velocidade, formato do objeto e algumas propriedades do fluido. Uma forma de facilitar a descrição do caráter do escoamento é com o número de Reynolds (Re), que é um adimensional definido por:

[pic 8]

Onde  é a densidade do ar, v é a velocidade do ar (escoamento), L é o comprimento do objeto e  é a viscosidade dinâmica do ar.[pic 9][pic 10]

        Quando o fluido se encontra em regime de escoamento subsônico, o coeficiente de arrasto depende apenas do Reynolds.

        O número de Reynolds é a razão entre os efeitos de inércia e os efeitos viscosos. Com um baixo número de Reynolds vai indicar que uma grande área em volta do objeto sofre efeitos da viscosidade. Com o aumento do número de Reynolds esse efeito viscoso sobre a área em volta do objeto vai diminuindo, exceto nas áreas muito próximas ao objeto como podemos ver na imagem.