Efeito de solo: simplificar para ultrapassar

Efeito de solo: simplificar para ultrapassar

Demorou mas finalmente foram apresentadas as novas regras da Fórmula 1 para 2021. Muito há a dizer sobre o assunto e até terão direito a um episódio do podcast só para esse efeito, entretanto hoje falamos apenas sobre um aspecto desse regulamento: o efeito de solo. Mais do que dissecar o regulamento em detalhe, pretendemos apenas dar algum enquadramento histórico e tentar explicar os principais conceitos técnicos por trás desta tecnologia.


O Lotus 79 com Mário Andretti ao volante foi o primeiro carro a ser Campeão do Mundo recorrendo ao efeito de solo.

A Lotus e Colin Chapman: antes dos touros já eles davam asas


Se chegarmos ao pé de um Lotus e olharmos para o seu logótipo podemos ver as iniciais “ACBC” por cima do nome da marca. Não é difícil identificar o dono dessas iniciais, trata-se obviamente de Anthony Colin Bruce Chapman, mais conhecido simplesmente por Colin Chapman, o mítico fundador da marca britânica. Chapman foi um visionário no seu tempo e um dos pioneiros no desenvolvimento da aerodinâmica na Fórmula 1. Falar do efeito de solo e não referir o famoso engenheiro inglês é praticamente impossível.


ACBC - as iniciais de Colin Chapman. Chapman e a Lotus são indissociáveis e ambos são também indossiáveis dos grandes avanços aerodinâmicos da Fórmula 1 nos anos 60 e 70.

Recuemos então até ao início de 1968 quando Chapman decide testar a introdução de asas num Lotus durante uma prova extra-campeonato. Colin Chapman não foi o primeiro a utilizar asas nos seus carros na Fórmula 1 mas foi o primeiro a ser bem sucedido na sua utilização. O conceito aliás já vinha sendo explorado do outro lado do Atlântico por Jim Hall com o Chaparral 2F e era bastante simples: a deslocação de ar por baixo da asa de um avião cria uma força de sustentação que o mantém no ar; se isto funciona, então com o perfil da asa invertido em vez da força de sustentação teremos uma força de sentido inverso, ou seja, uma força de sentido descendente (“downforce”) que em vez de elevar o carro o manterá colado ao solo.


A Lotus estreou umas pequenas asas no Mónaco no Lotus 49B às quais prontamente Ferrari e Brabham responderam com introdução de grandes dimensões. A Matra também respondeu e acrescentou uma asa dianteira ligada directamente à suspensão. No final da época, quase todos os construtores ofereciam asas mais ou menos complexas. Inicialmente as asas eram fixadas directamente à suspensão. Isto, em conjunto com a fragilidade da tecnologia à época, causou diversos acidentes, alguns deles bastante perigosos (embora naquela altura “acidente” e “perigoso” fossem sinónimos). Isto levou a FIA a exigir que as asas fossem fixadas ao chassis em vez de o serem nas suspensões e a limitar as dimensões e a altura a que elas podiam ser colocadas.


O Lotus 49B estreou o uso de asas na Fórmula 1. A asa traseira estava colocada numa posição tão elevada para não ser sujeita a ar sujo.

O que é que isto tem a ver com o efeito de solo? Tem tudo a ver. Avancemos então cerca de 8 anos e chegamos à temporada de 1976. Por esta altura, as asas eram já um conceito amadurecido, regulamentado e bem instalado na Fórmula 1. Voltamos à Lotus e a Colin Chapman. A Lotus era então umas das forças dominantes da Fórmula 1. Para além do que referimos aqui, o final dos anos 60 e os primeiros anos da década seguinte foram férteis em inovações introduzidas pela escuderia de Hethel que culminaram no Lotus 72. Entre 1970 e 1975, em múltiplas evoluções, o Lotus 72 seria o cavalo de batalha da marca e conseguiria três títulos mundiais de construtores e dois de pilotos. Contudo, no tal ano de 1976 o Lotus 72 estava ultrapassado e o novo Lotus 77 não trouxe grandes ganhos o que levou Colin Chapman a pensar em algo novo e a levar o conceito de asa ainda mais longe: e se em vez do carro apenas ter asas, fosse ele próprio uma asa?


Os carros-asa e o efeito de solo


Durante esse período de tempo, houve algo que tomou a atenção de Chapman, um caça britânico, o de Havilland Mosquito, reparou na forma particular como os radiadores surgiam montados nas asas e na sua forma usada para gerar força de sustentação. Chapman pensou que esse formato, quando aplicado de forma invertida, poderia gerar grandes cargas de força descendente e após estudar aprofundadamente o Princípio de Bernoulli e o Efeito Venturi concluiu que estava certo.


Estes princípios fundamentais da mecânica de fluidos são frequentemente referidos quando se aborda o tema do efeito de solo mas para todos percebermos isto, vamos fazer umas revisões das aulas de Física. De uma forma simples, podemos dizer que o Efeito de Venturi consiste numa diminuição da pressão de um fluido (ar ou um líquido, por exemplo) quando este passa numa secção mais estreita de uma conduta. Isto não é mais do que a tradução do Princípio de Bernoulli (isto sai tudo no teste) que nos diz que num escoamento laminar a soma da pressão estática e da pressão dinâmica são constantes. A pressão estática é um termo usado normalmente para designar a pressão no escoamento e a pressão dinâmica é o termo dependente da velocidade. Como a soma destes dois termos é constante, onde aumenta a velocidade, a pressão vai obrigatoriamente diminuir.


Efeito Venturi: na secção de menor diâmetro diâmetro a velocidade do fluido será maior e a pressão consequentemente será menor, conforme explicado pelo Princípio de Bernoulli.

Voltemos então ao nosso amigo Venturi e a algumas noções de mecânica de fluidos básicas. Falta apenas referir que o caudal num escoamento corresponde ao produto da velocidade e da área da secção. Portanto, recapitulando, o Sr. Venturi diz que num escoamento laminar um fluido ao passar numa secção menor irá diminuir a sua pressão e diz-nos o Sr. Bernoulli que a pressão total num escoamento é constante e por isso se diminui a pressão vamos ter aumento da velocidade do fluido.


O esquena do fundo do Lotus 79 ilustra perfeitamente a aplicação do efeito de solo nos chamados "carros-asa". A zona de menor secção nos túneis Venturi criava uma zona de baixa pressão que tinha como consequência a criação de tremendas quantidades de carga aerodinâmica.

Já deve dar para ter uma ideia. Isto leva-nos de volta à Lotus e a Colin Chapman. O objectivo aqui é exactamente o mesmo que procurou inicialmente com as asas, gerar carga aerodinâmica, só que o conceito que aplicou naquele que viria a ser o Lotus 78 vai mais longe e usa todo o carro como uma enorme asa para gerar força descendente. O Lotus 78, desenvolvido por Tony Rudd e Peter Wright de acordo com as ideias de Chapman, tinha os sidepods em forma de asa invertida. Todo o carro fora modelado em torno deste formato tal como está ilustrado na imagem. A estrutura central englobava o cockpit e o conjunto motor-caixa mais atrás e fechava ao centro cada um dos túneis de Venturi (na imagem, a secção com as setas entre a “nozzle area” e a diffuser area”). Na zona inicial dos sidepods temos as tomadas de ar onde a área de secção das condutas tem a altura máxima. Essa altura da secção vai diminuindo ao longo do carro, permitindo então criar as desejadas zonas de baixa pressão por Efeito Venturi. Na parte traseira, os túneis de Venturi voltam a aumentar a altura da secção para permitir um escoamento controlado do fluxo de ar que passa por baixo do carro.


Um Lotus 78, pioneiro no uso do efeito de solo, a repousar nas garagens do Bandeira Amarela.

A solução criada era tão eficaz que o efeito de solo era tanto maior quanto maior fosse a velocidade a que os carros seguiam pois quanto maior fosse a velocidade, menor era a pressão e maior era a carga aerodinâmica gerada. Isto era bastante exigente para as suspensões e exigia que estas fossem bastante reforçadas face ao que era utilizado até então. Para conduzir adequadamente o fluxo de ar pelos túneis Venturi debaixo do carro, eram colocadas saias laterais de borracha. Estas saias tinham que ser flexíveis porque quando o carro era submetido a grandes cargas aerodinâmicas, diminuía a sua altura ao solo, daí também a exigência a que era submetida a suspensão. O perigo maior era a de haver danos nas saias em curvas de alta velocidade. Com o fluxo de ar descontrolado, era muito fácil perder também o controlo do carro e sofrer um violento despiste.


O Brabham BT-46B usava uma solução no mínimo original para criar efeito de solo.

O Lotus 78 imediatamente provou ser um dos carros mais rápidos do plantel mas a fiabilidade não era o seu ponto-forte. No ano seguinte, em 1978, a Lotus iniciou a época ainda com o 78, já com alguns problemas resolvidos mas foi com o Lotus 79 introduzido em Zolder que a equipa conseguiu finalmente dominar o conceito do efeito de solo e vencer facilmente ambos os campeonatos com Mário Andretti a trazer para casa o título de construtores. Nesse ano, apenas a Brabham-Alfa Romeo e o seu BT-46B foram verdadeira oposição para o Lotus 79. A Brabham e Gordon Murray encontraram um método alternativo para obter efeito de solo: em vez de um carro-asa, criaram um carro-ventoinha. O Brabham tinha então uma gigantesca ventoinha na traseira que aspirava o ar debaixo do carro, gerando uma zona de muito baixa pressão, obtendo assim uma tremenda quantidade de carga aerodinâmica. O BT-46B ganhou facilmente na única corrida que disputou antes do dono da Brabham, Bernie Ecclestone, para não chatear ninguém, mandar retirar o carro de competição após uma única corrida, deixando o caminho para o título lvire para a Lotus. É uma história tão rica que não vamos entrar em grandes detalhes, esses ficam para outro artigo.


Ascensão e queda


Entretanto, outros construtores começam a dominar e a melhorar o efeito de solo, como a Ligier e a Williams, respectivamente com o JS11 e o FW07. Os carros com efeito de solo começam a tornar-se cada vez mais rápidos, sobretudo em curva o que os tornava igualmente cada vez mais perigosos. Já em 1981 a FIA proibiu as saias móveis e aumentou a altura mínima ao solo para 6 cm para tentar eliminar o efeito de solo e diminuir as cada vez maiores velocidades de passagem em curva. Gordon Murray e a Brabham conseguiram rapidamente contornar isso com a introdução de suspensões pneumáticas o que permitia ter a altura legal nas verificações e ter a altura necessária em corrida.


O Brabham BT49 conseguia contornar a limitação da altura ao solo através da sua suspensão hidropneumática.

O sistema foi rapidamente seguido por outras equipas como a Ferrari ou a Renault. A Lotus apresentou-se também em 1981 com uma solução inovadora para explorar o efeito de solo: o infame Lotus 88 com o seu duplo chassis. O chassis interno, mais convencional, albergava o piloto e a monocoque, enquanto que o chassis externo era todo ele basicamente um enorme sistema de efeito de solo. Com a proibição das saias laterais, os carros eram obrigados a ter suspensões extremamente rígidas para manter o túnel de Venturi selado. Irregularidades e ressaltos na pista faziam com que esse “selo” fosse quebrado tornando os carros extremamente difíceis de selar. A solução do Lotus 88 permitia que o chassis interno tivesse amortecedores macios e pouco agressivos para o piloto, enquanto que o chassis exterior podia permanecer rígido e manter constantemente o efeito de solo. Esta é outra história fascinante que merece um espaço próprio mas, para resumir, após uma tremenda polémica que quase fez a Lotus ser expulsa do Mundial, o Lotus 88 acabou por ser declarado ilegal.


Revolucionário, polémico, banido. O Lotus 88 de duplo chassis foi a última grande invenção de Colin Chapman e uma das mais arrojadas ideias que já pisaram as pistas.

O efeito de solo acabaria por ser banido definitivamente para a temporada de 1983 com a FISA a decretar a obrigatoriedade de todas as equipas usarem um fundo plano. Refira-se que ainda assim encontra-se sempre um caminho diferente para chegar ao mesmo fim. Um conceito que vem sendo explorado desde então, com particular ênfase na última década, é do blown diffuser que não é mais do que uma técnica que consiste no uso do difusor traseiro para extrair o mais rapidamente possível o ar debaixo do carro e assim criar uma zona de baixa pressão. Claro que os ganhos conseguidos com esta técnica são bastante inferiores aos dos carros-asa mas para obter esse efeito têm sido usadas técnicas notáveis. Também isto pode ser tema noutro dia.


As equipas encontraram ainda outras formas de selar os fluxos de ar por baixo do carro mesmo não utilizando saias, como explicamos no artigo sobre as actualizações da Ferrari.


E para 2021?


Quase 40 anos passaram desde 1983. A segurança parece ter dado um salto de muito mais do que isso em todos os aspectos e a FIA resolveu finalmente trazer de volta o efeito de solo. O objectivo é simples, com a carga aerodinâmica a ser maioritariamente gerada pelo próprio carro, estes ficam menos dependente das asas para poderem rodar próximo dos carros da frente e assim ter mais luta em pista. A dependência das asas faz com que estas sejam susceptíveis ao ar sujo do carro da frente, muito devido à sua cada vez maior complexidade e assim os carros não consigam rodar juntos, dificultando as ultrapassagens.


À esquerda um protótipo para 2021 com efeito de solo, à direita um modelo dos actuais fundos planos. As três aletas na entrada das tomadas ajudarão a dirigir o fluxo de ar e juntamente com o canal no prolongamento selarão o túnel Venturi.

As equipas poderão desenvolver os seus túneis Venturi de modo a canalizar o ar da maneira que considerem mais eficiente. Não haverá saias laterais, em vez disso existirão condutas que ajudarão a canalizar o ar para escoar pelo difusor traseiro. Estas estarão por sua vez fixadas não no chassis directamente mas sim nas condutas de ar dos travões traseiros, o que em teoria permitirá manter a altura dos carros constante mesmo quando a suspensão sofra oscilações. Por aquilo que podemos entender daquilo que foi revelado, essas condutas, que estarão ao longo do fundo do carro, farão o lugar das saias e permitirão fechar os túneis de Venturi. Garantido é que não haverá ventoinhas, chassis duplos nem suspensões hidropneumáticas. Garantimos também que será uma questão de tempo até os projectistas das equipas começaram a explorar caminhos que ninguém pensou quando fizeram os regulamentos. Esperemos que a espera de quase 40 anos para voltar a ver em princípio esta tecnologia nos traga corridas espectaculares e que ainda haja espaço para que os engenheiros possam dar largas à sua criatividade.


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Imagem "sobre nós": https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pedro_Lamy_-_Imola_1996.jpg

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