Mostrando postagens com marcador Fisíca. Mostrar todas as postagens
Mostrando postagens com marcador Fisíca. Mostrar todas as postagens
sábado, 25 de dezembro de 2010
quinta-feira, 5 de agosto de 2010
Como funciona a 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.
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]
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].
Os cientistas já tinham fazia muito tempo alguma noção do que era necessário para criar formas aerodinâmicas, mas demorou um pouco mais para que esses princípios fossem aplicados ao projeto de carros.
Os primeiros carros não tinham nada de aerodinâmicos. Dê uma olhada no Ford T (em inglês), com sua carroceria bem quadrada – na verdade, parecida com uma carroça sem cavalos. Muitos desses carros mais antigos não tinham que se preocupar com a aerodinâmica porque eles eram relativamente lentos. Mesmo assim, alguns carros de corrida do início do século 20 incorporavam alguma coisa em afilamento e dispositivos aerodinâmicos.
Em 1921 o inventor alemão Edmund Rumpler criou o Rumpler-Tropfenauto (carro gota d’água). Baseado na forma mais aerodinâmica da natureza, a gota d’água, ele tinha Cx de apenas 0,27, mas seu visual peculiar não atraiu o púbico, e apenas cerca de 100 foram produzidos. [fonte: Price - em inglês].
Do lado dos EUA, um dos maiores passos adiante surgiu na década de 1930, com o Chrysler Airflow. Inspirado em pássaros voando, o Airflow foi um dos primeiros carros projetados levando em consideração a aerodinâmica. Embora usasse técnicas de fabricação exclusivas e tivesse distribuição de peso quase 50/50 (igual distribuição de peso sobre as rodas dianteiras e traseiras, para melhor dirigibilidade), os consumidores da época da Grande Depressão (em inglês) não mostraram entusiasmo por seu visual ortodoxo, e o carro foi considerado um fracasso. Mas seu desenho afilado estava muito à frente de seu tempo.
Nos anos 50 e 60 alguns dos maiores avanços na aerodinâmica dos carros tinham vindo das corridas. No começo os engenheiros fizeram experiências com diferentes projetos, sabendo que formas alongadas podiam ser úteis para tornar os carros mais velozes - e mais estáveis em alta velocidade. Depois isso se transformou numa ciência, dedicada a produzir os carros de corrida mais aerodinâmicos. Aerofólios e defletores dianteiros e traseiros, “narizes” com formas que ajudam a “furar” o ar e kits aerodinâmicos se tornaram cada vez mais comuns, sempre com a intenção de fazer o ar fluir sobre o carro e criar sustentação negativa nas rodas dianteiras e traseiras. [fonte: Formula 1 Network - em inglês].
Empresas como Lotus, Citroën e Porsche desenvolveram carros muito aerodinâmicos para vender ao público, mas na maioria das vezes eram carros esporte de alto desempenho, e não modelos para o uso no dia a dia por motoristas comuns. Isso começou a mudar nos anos 1980 com o Audi 100, um sedã com um até então inédito Cx de 0,30. Atualmente quase todos os carros são projetados com alguma preocupação com a aerodinâmica [fonte: Edgar - em inglês].
O que ajudou a provocar essa mudança? A resposta é o túnel de vento. Na próximo tópico vamos explicar como o túnel de vento se tornou essencial no projeto automobilístico.
O carro ou avião dentro do túnel nunca se move, mas os ventiladores criam vento a diferentes velocidades, para simular as condições do mundo real. Algumas vezes não é usado um carro de verdade – os projetistas se baseiam em modelos em escala de seus veículos na medição da resistência do ar. Conforme o vento se desloca sobre o carro no túnel, computadores calculam o coeficiente de arrasto (Cx).
Os túneis de vento não são nenhuma novidade. Eles começaram a ser usados no final do século 19 para medir o fluxo de ar em muitas experiências com os primeiros aviões. Até os irmãos Wright (em inglês) tinham um. Depois da Segunda Guerra Mundial, engenheiros ligados a competições automobilísticas começaram a usar túneis de vento, em busca de uma vantagem em relação aos concorrentes, medindo a eficiência dos dispositivos aerodinâmicos de seus carros. Mais tarde essa tecnologia passou a ser empregada em carros de passageiros e de carga.
Só que de alguns anos para cá os gigantescos túneis de vento de milhões de dólares têm sido cada vez menos usados. Simulações em computadores começam a substituir os túneis de vento para avaliar a aerodinâmica de carros e aviões. Em muitos casos, os túneis de vento quase servem apenas para checar se são precisas as simulações no computador [fonte: Day - em inglês].
Muita gente acha que instalar um mero defletor na traseira de um carro ajuda a torná-lo mais aerodinâmico. Na próxima parte deste artigo vamos examinar diferentes tipos de dispositivos aerodinâmicos para carros – e saber seu papel no desempenho e no consumo de combustível.
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.
Para mais informações sobre aerodinâmica e assuntos relacionados, visite os links listados no próximo tópico.
• Classic Driver. "The Ferrari 599 GTB Fiorano." (March 9, 2009)
• Day, Dwayne A. "Advanced Wind Tunnels." U.S. Centennial of Flight Commission.
(March 9, 2009)
• Edgar, Julian. "Car Aerodynamics Have Stalled." Auto Speed. (March 9, 2009)
• Elliott-Sink, Sue. "Improving Aerodynamics to Boost Fuel Economy." Edmunds.com.
May 2, 2006. (March 9, 2009)
• Formula 1 Network. "Williams F1 - History of Aerodynamics: Evolution of aerodynamics." (March 9, 2009)
• NASA. "Beginner's Guide to Aerodynamics." July 11, 2008. (March 9, 2009)
• NASA. "The Drag Coefficient." July 11, 2008. (March 9, 2009)
• Price, Ryan Lee. "Cheating Wind - Aerodynamic Tech and Buyers Guide: The Art Of Aerodynamics And The Automobile." European Car Magazine. (March 9, 2009)
• Siuru, Bill. "5 Facts: Vehicle Aerodynamics." GreenCar.com. Oct. 13, 2008.
(March 9, 2009)
• Smith, Rich. "Formula 1 Aerodynamics." Symscape. May 21, 2007. (March 9, 2009)
1. Introdução a Como funciona a aerodinâmica
 ©iStockphoto.com/Mark Evans Veículos com um design aerodinâmico tendem a ser mais estáveis em alta velocidade |
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.
2. 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]
3. 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.
 ©iStockphoto.com/TIM MCCAIG A forma aerodinâmica do Toyota Prius é um dos fatores que o ajudam na economia de combustível |
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].
4. A história do projeto aerodinâmico dos carros
 ©iStockphoto.com/John W. DeFeo Esses carros antigos são exemplos de como quase nada se conhecia sobre veículos aerodinâmicos no início do século 20 |
Os primeiros carros não tinham nada de aerodinâmicos. Dê uma olhada no Ford T (em inglês), com sua carroceria bem quadrada – na verdade, parecida com uma carroça sem cavalos. Muitos desses carros mais antigos não tinham que se preocupar com a aerodinâmica porque eles eram relativamente lentos. Mesmo assim, alguns carros de corrida do início do século 20 incorporavam alguma coisa em afilamento e dispositivos aerodinâmicos.
Em 1921 o inventor alemão Edmund Rumpler criou o Rumpler-Tropfenauto (carro gota d’água). Baseado na forma mais aerodinâmica da natureza, a gota d’água, ele tinha Cx de apenas 0,27, mas seu visual peculiar não atraiu o púbico, e apenas cerca de 100 foram produzidos. [fonte: Price - em inglês].
Do lado dos EUA, um dos maiores passos adiante surgiu na década de 1930, com o Chrysler Airflow. Inspirado em pássaros voando, o Airflow foi um dos primeiros carros projetados levando em consideração a aerodinâmica. Embora usasse técnicas de fabricação exclusivas e tivesse distribuição de peso quase 50/50 (igual distribuição de peso sobre as rodas dianteiras e traseiras, para melhor dirigibilidade), os consumidores da época da Grande Depressão (em inglês) não mostraram entusiasmo por seu visual ortodoxo, e o carro foi considerado um fracasso. Mas seu desenho afilado estava muito à frente de seu tempo.
Nos anos 50 e 60 alguns dos maiores avanços na aerodinâmica dos carros tinham vindo das corridas. No começo os engenheiros fizeram experiências com diferentes projetos, sabendo que formas alongadas podiam ser úteis para tornar os carros mais velozes - e mais estáveis em alta velocidade. Depois isso se transformou numa ciência, dedicada a produzir os carros de corrida mais aerodinâmicos. Aerofólios e defletores dianteiros e traseiros, “narizes” com formas que ajudam a “furar” o ar e kits aerodinâmicos se tornaram cada vez mais comuns, sempre com a intenção de fazer o ar fluir sobre o carro e criar sustentação negativa nas rodas dianteiras e traseiras. [fonte: Formula 1 Network - em inglês].
Empresas como Lotus, Citroën e Porsche desenvolveram carros muito aerodinâmicos para vender ao público, mas na maioria das vezes eram carros esporte de alto desempenho, e não modelos para o uso no dia a dia por motoristas comuns. Isso começou a mudar nos anos 1980 com o Audi 100, um sedã com um até então inédito Cx de 0,30. Atualmente quase todos os carros são projetados com alguma preocupação com a aerodinâmica [fonte: Edgar - em inglês].
O que ajudou a provocar essa mudança? A resposta é o túnel de vento. Na próximo tópico vamos explicar como o túnel de vento se tornou essencial no projeto automobilístico.
5. O túnel de vento nas medições de arrasto
Para medir a eficiência aerodinâmica de um carro, em tempo real, os engenheiros da indústria automobilística tomaram emprestada uma ferramenta da indústria aeronáutica – o túnel de vento.
Basicamente, um túnel de vento é um enorme tubo com ventiladores que dirigem um fluxo de ar a um objeto em seu interior. Pode ser um carro, um avião ou qualquer outra coisa cuja resistência ao ar os engenheiros precisem medir. Numa sala anexa ao túnel os engenheiro estudam como o ar interage com o objeto – a maneira como as correntes de ar fluem sobre as variadas superfícies.
 ©iStockphoto.com/Kiyoshi Takahase Segundo Carros (e aviões) usam túneis de vento para testarem a aerodinâmica |
O carro ou avião dentro do túnel nunca se move, mas os ventiladores criam vento a diferentes velocidades, para simular as condições do mundo real. Algumas vezes não é usado um carro de verdade – os projetistas se baseiam em modelos em escala de seus veículos na medição da resistência do ar. Conforme o vento se desloca sobre o carro no túnel, computadores calculam o coeficiente de arrasto (Cx).
Os túneis de vento não são nenhuma novidade. Eles começaram a ser usados no final do século 19 para medir o fluxo de ar em muitas experiências com os primeiros aviões. Até os irmãos Wright (em inglês) tinham um. Depois da Segunda Guerra Mundial, engenheiros ligados a competições automobilísticas começaram a usar túneis de vento, em busca de uma vantagem em relação aos concorrentes, medindo a eficiência dos dispositivos aerodinâmicos de seus carros. Mais tarde essa tecnologia passou a ser empregada em carros de passageiros e de carga.
Só que de alguns anos para cá os gigantescos túneis de vento de milhões de dólares têm sido cada vez menos usados. Simulações em computadores começam a substituir os túneis de vento para avaliar a aerodinâmica de carros e aviões. Em muitos casos, os túneis de vento quase servem apenas para checar se são precisas as simulações no computador [fonte: Day - em inglês].
Muita gente acha que instalar um mero defletor na traseira de um carro ajuda a torná-lo mais aerodinâmico. Na próxima parte deste artigo vamos examinar diferentes tipos de dispositivos aerodinâmicos para carros – e saber seu papel no desempenho e no consumo de combustível.
6. 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.
Para mais informações sobre aerodinâmica e assuntos relacionados, visite os links listados no próximo tópico.
7. Mais informações
Links interessantes (em inglês)
- NASA - Beginner's Guide to Aerodynamics
- NASA - The Drag Coefficient
- Symscape - Formula 1 Aerodynamics
• Classic Driver. "The Ferrari 599 GTB Fiorano." (March 9, 2009)
• Day, Dwayne A. "Advanced Wind Tunnels." U.S. Centennial of Flight Commission.
(March 9, 2009)
• Edgar, Julian. "Car Aerodynamics Have Stalled." Auto Speed. (March 9, 2009)
• Elliott-Sink, Sue. "Improving Aerodynamics to Boost Fuel Economy." Edmunds.com.
May 2, 2006. (March 9, 2009)
• Formula 1 Network. "Williams F1 - History of Aerodynamics: Evolution of aerodynamics." (March 9, 2009)
• NASA. "Beginner's Guide to Aerodynamics." July 11, 2008. (March 9, 2009)
• NASA. "The Drag Coefficient." July 11, 2008. (March 9, 2009)
• Price, Ryan Lee. "Cheating Wind - Aerodynamic Tech and Buyers Guide: The Art Of Aerodynamics And The Automobile." European Car Magazine. (March 9, 2009)
• Siuru, Bill. "5 Facts: Vehicle Aerodynamics." GreenCar.com. Oct. 13, 2008.
(March 9, 2009)
• Smith, Rich. "Formula 1 Aerodynamics." Symscape. May 21, 2007. (March 9, 2009)
quarta-feira, 4 de agosto de 2010
Brasileiros criam técnica para medir rotação da luz
Difração triangular: um feixe de luz que passa através de uma abertura triangular produz um padrão de pontos na superfície do detector (seu brilho calculado, que aparece aqui como uma elevação). O número de pontos em cada lado do triângulo central brilhante (aqui, cinco) é um a mais do que o momento angular orbital do feixe original.[Imagem: J. Hickmann/Federal Univ. of Alagoas]
Informações quânticas
Informações quânticas
A luz pode ter um "momento angular orbital", uma espécie de rotação, mas que se parece mais com um planeta orbitando ao redor do Sol do que girando sobre seu próprio eixo.
Medir essa propriedade é complicado, mas no exemplar de 30 de Julho da revista científica Physical Review Letters, pesquisadores brasileiros mostram que dirigir um feixe luminoso através de um buraco triangular cria uma matriz triangular de pontos que indica diretamente a dinâmica orbital angular desse feixe.
A técnica, simples e elegante, é uma ferramenta importante para explorar uma propriedade incomum da luz, que poderá no futuro ser usada para codificar informações quânticas.
Momento angular da luz
Quando um feixe de luz possui momento angular, esse momento angular pode ter dois elementos. O momentum angular "spin" corresponde à polarização circular da luz para a direita ou para esquerda, o que significa que a direção do campo elétrico gira no sentido horário ou anti-horário conforme a luz se move para a frente.
O momento angular orbital (OAM: Orbital Angular Momentum) - largamente aceito pela comunidade científica apenas nos últimos 20 anos - ocorre quando a direção do campo elétrico varia no interior do feixe.
Por exemplo, imagine medir a direção do campo elétrico em cada ponto ao redor de um feixe de luz de grande diâmetro. Ele pode apontar para cima, para a à direita (às três horas), para baixo, ou para a esquerda (às nove horas).
Este feixe pode ter uma unidade de OAM - uma "carga topológica" de um.
O campo de um feixe de carga dois poderia dar duas rotações completas conforme você se move ao redor de seu contorno.
Os pesquisadores esperam aproveitar esta propriedade para transportar informações com a luz, exatamente como eles já fazem com a polarização.
E com uma grande vantagem: enquanto cada fóton tem apenas dois estados de spin distintos, há potencialmente infinitos estados OAM. O problema é que até agora não havia um método de distinguir os diversos estados OAM de forma eficiente - veja informações associadas a isto nos artigos sobre spintrônica e orbitrônica.
Experimentos de difração
Os físicos já haviam descoberto como gerar feixes que possuam momento angular orbital e usá-los para exercer torque sobre partículas, movimentando-as.
Mas Jandir Miguel Hickmann e seus colegas da Universidade Federal de Alagoas, em Maceió, afirmam que há uma quantidade muito pequena de pesquisas que exploram o que acontece quando esses raios de luz passam por aberturas muito pequenas.
Esses experimentos de difração geram padrões de pontos que os físicos vêm usando há muito tempo para analisar as propriedades da luz comum - mas as técnicas para medir o OAM são poucas e mais complicadas.
Quando Hickmann e seus colegas simularam a difração de feixes de luz passando através de furos de variados formatos, eles descobriram que o uso de um triângulo isósceles traz um benefício inesperado: "Você pode simplesmente contar os pontos para descobrir a carga topológica". Os pesquisadores também verificaram esta previsão experimentalmente.
Medição do momento angular orbital
A equipe calculou e observou que, uma vez que o feixe está centrado no furo, ele gera um padrão incomum: uma rede triangular de pontos. O brilho de cada ponto individual depende das contribuições combinadas da luz a partir de diferentes locais no buraco triangular.
Os cálculos preveem que os pontos mais brilhantes formam um triângulo cujo tamanho (o número de pontos em cada um dos seus lados) é uma unidade maior do que a magnitude da carga topológica.
Além disso, o padrão luminoso triangular é girado em 60 graus em qualquer direção em relação à abertura, com a direção dependendo do sinal da carga (o sentido de rotação da luz). Assim, a abertura triangular representa uma maneira fácil de medir a magnitude e o sinal do momento angular orbital.
Miles Padgett, da Universidade de Glasgow, na Escócia, comentando o artigo dos brasileiros, afirmou que "Foi uma surpresa, pelo menos para mim, que haja uma relação tão simples e bonita" entre o número de pontos difratados, a orientação do padrão e a magnitude e o sinal da carga topológica.
Fonte: Don Monroe - Physical Review Focus
quinta-feira, 29 de julho de 2010
Físicos afirmam ter criado material mais magnético do mundo
cristal de Fe16N2, cada átomo de nitrogênio fica no centro de um aglomerado de seis átomos de ferro, com dois outros átomos de ferro unindo os diversos aglomerados. [Imagem: Jian-Ping Wang]
Limites do magnetismo
A teoria afirma que a intensidade do magnetismo de um material tem limites, o que provavelmente está correto. Mas o que está sob suspeita é onde esse limite se encontra.
A equipe do Dr. Jian-Ping Wang, da Universidade de Minnesota, nos Estados Unidos, sintetizou um material que é 18% mais magnético do que se acreditava possível.
O super ímã é formado por oito partes de ferro e uma parte de nitrogênio, um cristal não muito estável, cuja fórmula é Fe16N2.
Origem do magnetismo
Segundo reportagem da revista Science, a chave para o supermagnetismo está na estrutura extremamente complicada do cristal de Fe16N2.
O magnetismo de um material decorre do giro dos seus elétrons. Cada elétron funciona como um minúsculo magneto, com um campo magnético alinhado com o eixo do seu spin - quanto mais elétrons giram na mesma direção, maior se torna o magnetismo do material.
No cristal de Fe16N2, cada átomo de nitrogênio fica no centro de um aglomerado de seis átomos de ferro, com dois outros átomos de ferro unindo os diversos aglomerados.
Os elétrons que fluem entre os aglomerados comportam-se como os elétrons do ferro comum. Mas os elétrons dos átomos que circundam o átomo de nitrogênio tendem a ficar "travados" no lugar.
Como resultado, garante Wang, esses átomos contribuem para o magnetismo total do material de forma mais intensa do que os átomos individuais, aumentando a intensidade desse magnetismo.
Super ímã
Apesar dos resultados excepcionais, outros pesquisadores estão vendo os resultados com cautela, porque esse mesmo material já havia sido anunciado como um "super ímã" antes.
Um experimento anunciado por pesquisadores da empresa Hitachi contrariou essas observações - mas ninguém conseguiu repetir o experimento, e o assunto continua controverso até hoje.
O grande problema reside justamente na dificuldade de fabricar cristais de Fe16N2, que é metaestável e tende a se "quebrar" em outras estruturas cristalinas.
A equipe de Wang, no entanto, argumenta que vem aprimorando as técnicas há anos e que agora é capaz de crescer amostras de Fe16N2 estáveis.
Se esses novos ímãs puderem ser produzidos comercialmente, poderá ser possível, por exemplo, fabricar cabeças de leitura de discos rígidos menores e mais eficientes, permitindo colocar mais dados na mesma área e dando novo impulso ao crescimento da capacidade de armazenamento magnético.
Fonte: Inovação Tecnológica
sábado, 17 de julho de 2010
Olho biônico com retina artificial está pronto para ser implantado
Pesquisadores australianos apresentaram o protótipo de um olho biônico que está pronto para ser implantado no primeiro paciente humano.
A prótese ocular foi projetada para dar melhor qualidade de vida a pacientes com perda visual decorrente da retinite pigmentosa e da degeneração macular.
Olho biônico
O olho biônico, que até agora se encontrava em testes, consiste de uma câmera super miniaturizada e de um microchip implantado na retina do paciente.
A câmera, montada na estrutura de um par de óculos, capta a entrada visual, transformando-a em sinais elétricos que são enviados para o microchip.
O microchip, por sua vez, estimula diretamente os neurônios da retina que continuam saudáveis, apesar da enfermidade.
O implante permite que os pacientes ganhem uma visão em baixa resolução, devido ao pequeno número de células sadias da retina, e limitada pela quantidade de eletrodos da retina artificial.
Implante de retina
“Nós vislumbramos que este implante de retina dará aos pacientes uma maior mobilidade e independência, e que as futuras versões do implante acabarão por permitir que os usuários reconheçam rostos e leiam letras grandes,” diz o professor Anthony Burkitt, membro da equipe responsável pela fabricação do olho biônico.
O objetivo dos pesquisadores é passar de algumas manchas de claridade pouco definidas para uma visão biônica verdadeira dentro de cinco anos.
Até lá, eles planejam contar com uma retina artificial implantada na parte posterior do olho, recebendo os sinais captados pelas câmeras por meio de conexões sem fios.
O olho biônico está sendo fabricado por uma empresa emergente criada pelos próprios pesquisadores, aBionic Vision Australia, reunindo médicos, oftalmologistas, neurocientistas, engenheiros biomédicos e engenheiros eletricistas das universidades de Melbourne, Nova Gales do Sul e do Centro de Pesquisas dos Olhos, todos na Austrália.
Fonte: Inovação Tecnológica
sábado, 3 de julho de 2010
Itália e Rússia construirão reator de fusão nuclear
Rússia e Itália assinaram um acordo para construir um reator de fusão nuclear nas proximidades de Moscou.
Baseado em uma tecnologia alegadamente mais simples, os cientistas acreditam que este poderá ser o primeiro reator a atingir a ignição, o ponto onde uma reação de fusão nuclear se torna autossustentável, dispensando uma entrada constante de energia.
Ignitor
O projeto do reator de fusão, batizado de Ignitor, nasceu com os trabalhos do Dr. Bruno Coppi, professor do MIT (Massachusetts Institute of Technology), que será o coordenador científico do projeto.
O conceito para o novo reator baseia-se em décadas de experiência com o programa sobre fusão chamado Alcator, também iniciado por Coppi no MIT.
Em sua versão atual - chamada Alcator C-Mod - o reator experimental possui o maior campo magnético e a maior pressão do plasma dentre todos os aparatos que buscam a fusão nuclear - duas das mais importantes medidas de desempenho da fusão nuclear magnética.
Como acontece a fusão nuclear
O ingrediente-chave em todos os experimentos de fusão nuclear é o plasma, uma espécie de gás quente composto de partículas eletricamente carregadas, como núcleos atômicos e elétrons.
Nos reatores de fusão, núcleos atômicos - normalmente isótopos de hidrogênio chamados deutério e trício - são prensados através de uma combinação de calor e pressão para superar a sua repulsão eletrostática natural. Quando os núcleos se unem, ou se fundem, eles liberam quantidades prodigiosas de energia.
Ignitor e ITER
O Ignitor terá aproximadamente o dobro do tamanho do Alcator C-Mod, com uma câmara principal em forma de anel com 1,3 metro de diâmetro.
Ele será muito menor e mais barato do que o projeto internacional de fusão ITER, atualmente em construção em França e que terá uma câmara de plasma de 6,2 metros de diâmetro.
Embora originalmente concebido para atingir a ignição, o projeto do reator ITER sofreu uma redução de escala, e agora muitos físicos acreditam que ele nunca poderá alcançar esse patamar.
O reator Ignitor, segundo Coppi, será "uma máquina muito compacta e de baixo custo" e, ao contrário, do ITER poderá estar pronto para começar a funcionar dentro de poucos anos.
Mas Coppi assegura que não haverá competição entre o Ignitor e o ITER porque os projetos são complementares. Ele cita que Evgeny Velikhov, presidente do Instituto Kurchatov, em Moscou, onde o Ignitor será instalado, é também membro do conselho do ITER. Os equipamentos para o novo reator de fusão serão fabricados na Itália e instalados no Instituto Kurchatov.
Reator de fusão
O design do Ignitor é baseado em uma combinação particularmente eficaz de fatores que os cientistas descobriram inesperadamente durante os muitos anos de funcionamento do programa Alcator, e que mais tarde foi confirmada em experiências em outros reatores.
Juntos, esses fatores geram um confinamento do plasma com grande eficiência e um elevado grau de pureza - impurezas nos gases quentes podem se tornar uma grande fonte de ineficiência.
O novo design visa preservar essas características para produzir a mais alta densidade de corrente de plasma já obtida - a quantidade de corrente elétrica em uma determinada área do plasma.
Segundo Coppi, projeto também contém as estruturas adicionais necessárias para produzir e confinar os plasmas de fusão, a fim de criar as condições necessárias para a ignição.
Fusão nas estrelas
Hoje se imagina que os reatores de fusão nuclear poderão representar uma importante fonte de energia não-poluente no futuro - mas a maioria dos cientistas concorda em que esse futuro não será menor do que 20 anos.
Mas o Dr. Coppi lembra que, quando o programa Alcator de fusão nuclear começou, nos anos 1970, ele tinha poucas pretensões na área energética: "Ele foi construído para simular as estrelas de raios X que nós conhecíamos na época."
As estrelas são formadas de plasma e alimentadas por fusão nuclear, e a única forma de estudar seu comportamento em nível atômico em detalhes é através de experimentos no interior de reatores de fusão, explica Coppi, cujas pesquisas eram todas na áreas de astrofísica - hoje elas são compartilhadas entre astrofísica e energia.
E ele permanece especialmente interessado no potencial do novo reator para fazer novas descobertas sobre a física fundamental. "Sempre que você faz experimentos em um regime desconhecido, você irá encontrar algo novo," diz ele. Os resultados da nova máquina, sugere ele, "terão um forte impacto na astrofísica."
Fonte: Inovação Tecnológica
Assinar:
Postagens (Atom)