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Viagem ao núcleo do novo e revolucionário regulamento técnico da F1

Livio Oricchio 01/02/2022 • 16:47
Carro de 2022 da F1 (F1)
Carro de 2022 da F1 (F1)

Olá, amigos.

Já conversamos sobre como cada equipe se estruturou para o imenso desafio de engenharia proposto pelo novo regulamento técnico, mostramos em que contexto foi criado, seus ousados objetivos, e agora chegou a hora de discutirmos, ponto a ponto, o que FIA, FOM e times definiram que deve ser mudado nos carros de F1 a partir deste ano.

Como o tema é extenso, se desejarmos abordá-lo com alguma profundidade, como é o caso, temos de dividir em duas partes, uma apresentada hoje e outra nesta quarta-feira.

Aerofólio dianteiro

Comparação das asas dianteiras dos carros de 2021 e 2022 (F1)

Observe com atenção essa foto. Em cima temos o modelo McLaren MCL35M-Mercedes pilotado por Lando Norris e Daniel Ricciardo no ano passado, vencedor do GP da Itália, em setembro, no veloz Circuito de Monza, com o australiano.

Embaixo, o protótipo do modelo de 2022, criado pelo grupo de técnicos liderado pelos experientes e vencedores Ross Brawn, Pat Symonds e Nikolas Tombazis, os principais engenheiros responsáveis pelas novas regras, apresentado em Silverstone, em julho, durante o GP da Grã-Bretanha.

Focalizemos nosso interesse no aerofólio dianteiro dos dois carros. Enquanto no da McLaren o aerofólio encontra-se “pendurado”, conectado ao bico por duas colunas de sustentação, no protótipo, construído segundo o novo regulamento, o aerofólio dianteiro sai diretamente do bico do carro.

Muda tudo

Meus amigos, vocês não têm ideia da extensão dessa alteração aparentemente de importância menor. Acredite, revoluciona a forma de os diretores-técnicos conceberem seus projetos e está na base do que todos desejam na F1.

Nos monopostos existentes até o ano passado, repare que a seção central do aerofólio dianteiro, aquela em que as duas colunas de sustentação se fixam, é plana, não tem o perfil de asa invertido, gerador de pressão aerodinâmica. O regulamento impunha que essa superfície deveria ser neutra e ter 50 cm de extensão.

Visualize, agora, a sofisticação dos vários planos, ou flaps, do aerofólio dianteiro da McLaren, são cinco. Cada curvatura daquelas tem uma razão de ser, representa o resultado de muitas horas de estudo no túnel de vento e nos experimentos aerodinâmicos digitais (CFD), integrando-as. O mesmo vale para as duas paredes laterais e sua microaerodinâmica.

Isso porque os técnicos descobriram, há bons anos, que essa superfície plana de 50 cm, associada ao desenho dos flaps do aerofólio e das suas paredes, poderia gerar vórtices de elevada energia, altamente benéficos para fazer o carro, como um todo, ser mais eficiente aerodinamicamente.

Vórtices, amigos e inimigos

Calma, vou explicar em detalhes. Primeiro, o que é vórtice, ou vortex, em inglês, termo tão usado na F1. É um fluxo de ar em rotação, em altíssima velocidade, cheio portanto de energia. Você já deve ter visto um avião próximo do pouso, em dias de elevada umidade do ar. Na ponta das asas vemos dois rastros longos.

Estamos diante de vórtices de ar gerados na ponta das asas e visíveis por conta das condições favoráveis. As aeronaves mais modernas têm as asas desenhadas para esses vórtices se formarem apenas nas suas pontas, a fim de não interferir na sua capacidade de gerar sustentação e não criar resistência ao movimento, o que elevaria o consumo de combustível.

Também é possível ver esses vórtices fluindo nas extremidades do aerofólio traseiro dos carros de F1 em determinadas situações, como mostra a foto abaixo.

Vórtice provocado por aerodinâmica do carro de Fórmula 1 (F1)

As várias superfícies que vemos no aerofólio dianteiro do MCL35M da McLaren servem para esse fim, gerar um vórtice específico nessa área do carro, o famigerado vórtice Y250.

Y250 porque 250 mm é a metade dos 500 mm ou 50 cm da superfície plana que mencionei. E Y em razão de esse vórtice sair do aerofólio dianteiro e logo dividir-se em dois, a fim de cada ramo se dirigir para os defletores localizados atrás das rodas dianteiras, na F1 denominados bargeboards, e de lá serem direcionados para fora do carro, percorrê-lo pelas laterais, por fora dos pneus traseiros também.

O desenho abaixo você tem uma ideia simplificada do que é o vórtice Y250

Vórtice Y250 gerado pela asa dianteira de um carro de F1 (AlphaTauri)

Difusor, elemento fundamental

Como o ar nos vórtices está girando rapidamente, forma uma espécie de barreira pneumática para os indesejáveis fluxos de ar laterais do carro entrarem sob o assoalho. Isso irá permitir que o difusor, aquela curvatura do assoalho para cima, embaixo do aerofólio traseiro, consiga facilitar o escoamento do ar embaixo do carro, dessa forma há menor turbulência. Você verá o porquê de esse “detalhe” ser capital.

O vórtice Y250 também tem a função de trabalhar para o ar que passa pelo aerofólio dianteiro - e já ali gerou pressão aerodinâmica - siga seu curso, da forma mais disciplinada possível, sob o assoalho, até chegar no difusor.

O difusor existe para criar menor resistência para os fluxos de ar seguirem seu caminho já fora do carro. Se a resistência para a passagem do ar sob o assoalho for menor lá atrás, pela ação do difusor, então sua velocidade de escoamento será maior. Essa é uma busca incessante dos projetistas. Entenda melhor, agora.

Imagine que você está saindo do teatro, depois da peça, e há uma única porta aberta. O público vai andar devagar. Mas se abrirem uma segunda e uma terceira portas, todos vão se deslocar mais rápido pelo corredor, haverá maior facilidade, ou menor resistência, para as pessoas à sua frente saírem. Com o ar sob o assoalho nos carros de F1 acontece o mesmo.

Quanto mais eficiente for o difusor, ou quanto mais ele puder apressar a passagem do ar sob o assoalho, tanto melhor será a performance do carro. E você já viu as novas dimensões do difusor nos modelos de 2022?

Veja no desenho abaixo. Foram superdimensionadas para facilitar, ainda mais, o escoamento do ar.

Difusor do carro de F1 de 2022 (F1)

A busca por elevar a velocidade com que o ar flui sob o assoalho tem uma razão: quanto mais rápido ele escoar, menor será a pressão que exerce. 

É um princípio físico descrito pelo suíço Daniel Bernoulli em 1738. Em linhas bem gerais, ele postulou que quanto maior for a velocidade de escoamento de um fluido, menor será a pressão exercida. Atente que, pelo descrito, embaixo do assoalho estamos criando uma zona de baixa pressão em relação à que está sobre sobre o carro.

O difusor trabalha para o ar proveniente do assoalho, não para o ar que percorre o monoposto por cima, daí a menor velocidade do ar sobre o carro e, portanto, maior pressão. É o oposto do que ocorre sob o assoalho, em que por fluir mais rápido o ar exerce menor pressão.

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O fim de um “vilão”

Como o novo regulamento extinguiu, felizmente, essa superfície plana de 50 cm na parte central do aerofólio dianteiro – visível nas fotos -, não haverá mais como criar o vórtice Y250 que tanto ajudava a gerar mais pressão aerodinâmica no carro como um todo, mas tanto mal causava para a disputa esportiva.

Para o bem da F1 também todos aqueles apêndices aerodinâmicos atrás das rodas dianteiras, por exemplo, os mencionados bargeboard, foram proibidos. Veremos monopostos de linha mais fluida, elegante, compatível com a imagem de excelência da F1.

Bargeboards são os apêndices aerodinâmicos que circundam entradas de ar dos carros até 2021 da F1. Em 2022 foram proibidos. (F1)

Explico tudo isso para mostrar a grande importância de o aerofólio dianteiro precisar estar em contato com o máximo de ar para exercer as funções mencionadas, a geração de pressão e a criação do vórtice Y250, a fim de auxiliar, de forma decisiva, o carro responder melhor aerodinamicamente.

Mas o que acontecia até o ano passado nas corridas? Se um piloto se posicionasse logo atrás do adversário à frente, o aerofólio dianteiro deixava de estar em contato direto com o ar. Muitos dos fluxos que o tocavam, depois de sair do veículo localizado na sua frente, estavam em vórtices.

E o ar em vórtice percorrendo o aerofólio dianteiro reduz dramaticamente sua capacidade de gerar pressão aerodinâmica, bem como o desejado vórtice Y250. Resultado: o piloto era obrigado a reduzir sua velocidade para aumentar a distância do carro à frente.

Outro efeito de o piloto não receber ar relativamente disciplinado no seu aerofólio dianteiro, mas em vórtice, por se localizar próximo do adversário, é a perda de aderência dos pneus, por estarem menos pressionados contra o asfalto. A temperatura dos pneus, notadamente dos dianteiros, cresce, acelerando bastante a sua degradação.

Assoalho, maior responsável

A versão de 2022 do aerofólio dianteiro simplifica tudo. Sua porcentagem na conta total de geração de pressão aerodinâmica será menor. Até a temporada passada, havia um consenso de que o aerofólio dianteiro era responsável por 30%, o traseiro outros 30% e o assoalho, 40%. Há quem divida essa porcentagem em três partes iguais, algo como 33% para cada um. Fico com o primeiro.

Os estudos para a definição do novo regulamento visaram limitar a geração no aerofólio dianteiro a 20%, o mesmo para o traseiro, enquanto o assoalho deverá responder com algo como 60%.

Por qual motivo? O assoalho está menos sujeito a receber ar em turbulência que o aerofólio dianteiro, bem mais exposto, o primeiro soldado do fronte, se assim o desejar. Assim, a capacidade de gerar pressão aerodinâmica do assoalho tende a ser menos afetada quando um piloto segue o concorrente de perto.

Se você teve a oportunidade de ler, em um dos últimos textos mostrei que a Brabham BT49C-Corsworth, de Nelson Piquet, em 1980, sequer tinha aerofólio dianteiro em algumas corridas, por essa razão, a geração de pressão aerodinâmica concentrar-se na porção traseira do assoalho.

A F1 adotou de 1977 a 1982 o perfil de asa invertido na lateral dos carros, como se fossem dois aerofólios, elevando dramaticamente sua capacidade de gerar pressão aerodinâmica. É o chamado efeito-solo, provocado pelos carros-asa, que está de volta agora. Vamos esmiuçar o tema a seguir.

Outra vantagem para a F1 de as novas regras provavelmente acabarem com o vórtice Y250 é que os carros posicionados atrás não vão receber do monoposto à frente o ar carregado de vórtices. As regras foram concebidas para o ar sair relativamente disciplinado. O impacto na geração de pressão aerodinâmica no aerofólio dianteiro de quem está atrás será menor.

Some isso ao próprio desenho do novo aerofólio dianteiro e você verá que, ao menos na teoria, tudo o que os experientes engenheiros, apoiados por seus colegas nas equipes, criaram, faz sentido. Falta, agora, apenas os treinos e as corridas ratificarem o que se espera desse conjunto corajoso de mudanças adotado para a F1.

A estrela do pacote, os canais Venturi.

Há algo como cinco ou seis anos, estava no paddock dos carros de F1 antigos, impecavelmente preservados, no Circuito Albert Park, em Melbourne, Austrália. Eles disputariam uma corrida, preliminar da F1 moderna. Havia muita gente da F1 atual naquele local mágico, cheio de arte.

Sem querer, encontrei um engenheiro que havia conhecido há anos. Seu nome, Ralph Bellamy. É australiano e tem hoje mais de 80 anos. Pois bem, Bellamy trabalhou em várias equipes, como McLaren, Brabham, Lotus e Fittipaldi.

Na Lotus, desenhou junto de Peter Wright e Tony Rudd, sob a orientação de Colin Chapman, o revolucionário modelo 78 do mítico time inglês, usado na temporada de 1977, o primeiro a adotar nas laterais o perfil de asa invertido, o pioneiro dos carros-asa.

A conversa fluiu de maneira incrível. Ele trabalhou em São Paulo, no projeto do completamente equivocado modelo F6 da Fittipaldi, concebido para o campeonato de 1979. Mas o tema do encontro foi sua experiência ao lado do genial Chapman, quem determinava as diretrizes dos inovadores projetos da Lotus.

Nunca vou esquecer de uma história emblemática que Bellamy me contou: “O mundo das corridas de carro mudou, radicalmente, quando Chapman perguntou a si próprio o que aconteceria se estudasse não o ar que flui sobre o carro, como todo mundo faz, mas sob ele. E do seu estudo surgiu o conceito do carro-asa ou da busca do efeito-solo. Sem isso, ao menos no universo da F1, não há como pensar no sucesso”.

Resgate de um conceito histórico

É isso, o perfil de asa invertido está de volta a F1 este ano. Como já escrevi em outros textos, recentemente, é o mesmo que cortar fatias longitudinais do aerofólio traseiro, que tem, claro, o perfil de asa invertido, e colocar duas delas, uma de cada lado do carro, no espaço entre eixos. E depois adicionar duas “paredes” nessas laterais, formando dois túneis, para que o ar que entra pela frente desses túneis seja canalizado e saia lá atrás, pelo difusor.

Assoalho dos novos carros da F1 de 2022 (F1)

No regulamento deste ano essas laterais representam o elemento mais importante no projeto de gerar mais pressão aerodinâmica no assoalho, em vez dos aerofólios, para tornar as corridas mais disputadas, emocionantes. São as estrelas do show. São também chamadas de canais Venturi. Vamos descobrir junto, agora, os motivos.

O ar que entra pela frente, pela “boca” das laterais, ou do túnel, tem três caminhos a seguir: percorrê-las por dentro, por cima ou por baixo. Fixemo-nos nos dois primeiros. Como dentro dessas laterais há uma superfície curva, a do perfil de asa invertido, então a distância que o ar irá percorrer será maior do que a do fluxo de ar que as percorre por cima, que é plana, reta.

Quem tem de ser mais rápido, por favor, o ar que passa por dentro do túnel, ou laterais, que tem de percorrer uma trajetória maior, ou o ar que segue reto, por cima do túnel? Obviamente é o ar que está fluindo por dentro do túnel, concorda?

Se tem de vencer uma distância maior, pela curvatura do assoalho, precisa correr mais para chegar no fim do túnel ao mesmo tempo do ar que está fluindo sobre ele, com um trajeto menor para se deslocar.

Quanto mais rápido o ar, melhor é

Precisamos resgatar outro princípio físico para entender, agora, o que se passa, desta vez descrito pelo italiano Giovanni Battista Venturi, ainda em 1797. Ele demonstrou que quando um fluido em movimento em um sistema fechado passa por uma zona de estreitamento, sua velocidade aumenta e a pressão exercida diminui.

Você já fez barquinhos de papel para colocá-lo na água corrente? Quando há algumas pedras no caminho, reduzindo a largura do canal de passagem da água, nosso barquinho se torna mais rápido. E quando o canal se abre novamente, sua velocidade diminui.

Esquematicamente esse é o Efeito Venturi. Nesse ponto onde a velocidade é maior, no estreitamento do caminho, a pressão exercida é menor.

O gráfico abaixo o demonstra bem. Repare que o fluido – pode ser o ar – acelera quando passa pela seção de menor diâmetro do tubo e volta à velocidade inicial ao deixá-la. Agora o mais importante: atente para a pressão dentro dos tubos, um colocado na seção de área maior e outra na de menor diâmetro.

A pressão dentro do tubo conectado à seção menor, onde o fluido está mais rápido, é menor, a coluna é mais baixa.

Ilustração do túnel de Venturi (Wikipedia)

 No caso da F1, o estreitamento corresponde ao ponto em que a curvatura do assoalho está mais próxima ao asfalto. O túnel começa largo, depois o espaço do assoalho ao solo diminui, por conta dessa curvatura, e na sequência volta a ficar largo, integrando-se com o difusor, na traseira.

Voltemos ao túnel nas laterais do modelo de 2022 da F1. O ar que o flui por dentro e percorre o trecho maior que o de cima, pela curvatura do perfil de asa invertido, exerce lá dentro uma pressão menor que o fluindo sobre o túnel, concorda? O ar de dentro do túnel não está mais rápido?

Pelo que descreveu Venturi, então a pressão que há dentro do túnel é menor que a exercida pelo ar sobre o túnel, ou as laterais.

Resultante aerodinâmica

Temos, portanto, uma força de cima para baixo do carro maior do que a de baixo para cima, provocadas pelas diferentes velocidades de escoamento do ar sobre e sob as laterais. Essa resultante empurra o carro contra o asfalto.

Acabamos de descobrir, juntos, a pressão aerodinâmica, ou downforce provocada pelo efeito-solo, ou ground effect, proveniente dos carros-asa, ou wing car.

O que ela proporciona? Maior velocidade nas curvas, melhor tração, preserva mais os pneus, submete todo o conjunto a esforços menores, dentre outros benefícios. Os modelos usados até o ano passado geravam bastante downforce, apesar do assoalho plano. O que a F1 quer, agora, é elevá-la ainda mais e deslocar o seu centro de atuação mais para trás.

A FIA restringiu a distância entre eixos dos novos monopostos a 3.600 milímetros, a fim de impedir de algum projetista desenhar um carro extremamente longo, por acreditar que com um perfil de asa invertido maior ganharia ainda mais pressão aerodinâmica, descaracterizando a F1. Para você ter uma ideia, o modelo W12 da Mercedes, de 2021, tinha uma distância entre eixos alguns milímetros maior que a do limite agora estabelecido.

É essa pressão aerodinâmica extra, concedida pelo novo regulamento, que todas as vertentes da F1 apostam que elevará a qualidade do espetáculo ao permitir que um piloto siga o outro de perto, em qualquer condição, e possa lutar pela posição, sem ter de renunciar para não destruir seus pneus.

Dados animadores

FIA, FOM e as equipes distribuíram números para mostrar o que seus experimentos evidenciaram. Em 2021, enquanto o carro que estava atrás perdia, a 20 metros de distância do da frente, 35% de pressão aerodinâmica, este ano a perda será de 4% apenas.

Em 2021, se o piloto estivesse a 10 metros do adversário à frente, seu carro perdia 47% de pressão. Agora será somente 18%.

Muito ainda o que conversar

No capítulo de amanhã vamos falar dos pneus, agora para rodas de aro 18 em vez de 13 polegadas, e de suas grandes implicações no projeto e na performance dos carros. A promessa da Pirelli de produzir pneus que permitam aos pilotos acelerar tudo o tempo todo, sem ter de administrar seu desgaste, além de analisar as consequências de os pneus deixarem os boxes em temperaturas mais baixas do que no ano passado, com as limitações impostas aos cobertores elétricos.

Diretor da Pirelli, Mario Isola, com os pneus e rodas de 18 (à esq) e 13 (à dir) polegadas (Pirelli)

Abordaremos, ainda, como funcionará o congelamento das unidades motrizes e do câmbio, como serão os novos freios, para parar carros quase 40 quilos mais pesados, este ano, as esperadas diferenças para os pilotos, a maior exigência física.

Mais: a volta das suspensões clássicas, com mola e amortecedor, em substituição às com barras de torção e controle hidráulico, o aumento da segurança, com maior rigor nos testes de resistência, e do novo combustível, 90% de origem fóssil e 10% de fonte de energia renovável, dentre outros. 

Exponho, ainda, a minha preocupação com a segurança, por causa do aumento exponencial da velocidade nas curvas de alta. A FIA precisará, no meu entendimento, tomar algumas medidas extras nos circuitos. Falemos, pois. Grande abraço.

Livio Oricchio

Livio Oricchio é um jornalista brasileiro e italiano, especializado em automobilismo, notadamente a F1, e em outra de suas paixões, a divulgação científica. Cobriu a F1 para o Grupo Estado de 1994 a 2013 e então para o GloboEsporte.com até 2019. Residiu em Nice, na França, durante boa parte da carreira, iniciada na F1 ainda em 1987. Colabora, desde então, com publicações de diversos países. Tem no currículo a presença em quase 500 GPs. Em boa parte desse espaço de tempo também foi repórter e comentarista de F1 das rádios Jovem Pan, Bandeirantes e Globo. Em 2012 ganhou a mais prestigiosa premiação da área, o Troféu Lorenzo Bandini, recebida em cerimônia na Itália.