Não basta acelerar

Muitos dizem que o que diferencia um carro de F1 de outras categorias é a capacidade de ser extremamente veloz em circuitos mistos. Isso indica um elevado refinamento em sistemas que definem a dinâmica veicular dos bólidos. Neste espaço, já falamos de amortecimento de massa e difusores aerodinâmicos. Chegou a hora de conhecermos o sistema de frenagem da Fórmula 1.

O sistema de freios em um carro de Fórmula 1 pode parecer complexo, mas na realidade seu funcionamento é muito parecido com o de um carro de passeio. Quando o piloto aciona o pedal do freio, o fluido do sistema é comprimido, fazendo com que pistões hidráulicos empurrem as pinças em direção ao disco. O contato entre o material das pastilhas localizadas nas pinças e o disco proporciona o atrito necessário para realização da frenagem.

Por outro lado, algumas características especiais diferenciam os sistemas de competição dos “de rua”. A principal delas é o tipo de material utilizado nos discos e pastilhas. Enquanto um carro de passeio possui discos de ferro fundido e pastilhas de material orgânico, na F1 ambos os componentes são feitos de compósitos carbono-carbono – um composto diferente da fibra de carbono utilizada no restante do veículo. Esse material consiste em uma matriz de carbono reforçada com a própria fibra de carbono, e além de ser 50% mais leve que os materiais convencionais, apresenta maiores coeficientes de atrito em determinadas temperaturas de operação. Para efeito de comparação, um sistema de freios com carbono-carbono apresenta um coeficiente de atrito máximo de 0,6, enquanto os materiais convencionais não ultrapassam 0,3.

Por outro lado, os compósitos carbono-carbono possuem características bastante particulares. Sistemas de freio com este tipo de material possuem baixa performance em temperaturas inferiores a 400°C, apresentando uma performance ideal a cerca de 650°C. Além disso, ao contrário dos sistemas convencionais, os sistemas carbono-carbono não têm o atrito como principal mecanismo de desgaste, mas sim a oxidação. Este mecanismo é ainda mais acelerado em temperaturas acima de 600°C. Levando em conta que durante a frenagem se atinge temperaturas na casa dos 1200°C, nota-se que a oxidação é bastante importante. Pode-se, obviamente, canalizar o ar frontal para resfriar os freios, porém a própria presença do oxigênio do ar potencializa o efeito de desgaste. Desta forma, nota-se que um freio de carbono pode falhar de maneira espetacular, como ocorrido com Hamilton na Alemanha em 2014.

httpv://youtu.be/9MdhUl-7xIs

Um aspecto do sistema de freios da F1 no qual não existe um consenso é no posicionamento das pinças de freio. Enquanto algumas equipes optam por colocá-las o mais baixo possível para obter ganho em dinâmica veicular (abaixando o centro de gravidade), outras optam por localizá-la de maneira a facilitar a purga do sistema (um procedimento muito mais comum do que se pensa).

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V-Max

V-Max. Termo desconhecido para uma pessoa comum, mas que para nós, entusiastas do automobilismo, é autoexplicativo: velocidade máxima. Na Fórmula 1, a V-Max é chave em circuitos como Monza e Spa-Francorchamps. Todas as equipes tentam reduzir ao extremo o arrasto aerodinâmico de seus carros objetivando maior velocidade final. Porém, sem sacrificar demais a geração de downforce por parte das estruturas aerodinâmicas dos bólidos. Isto leva, usualmente, a acertos aerodinâmicos específicos para situações onde o arrasto reduzido é necessário, geralmente contemplando aerofólios menores, ou menores entradas de ar para resfriamento dos radiadores.

Nos carros de F1 modernos, asas e aerofólios são projetados para “empurrar” o bólido em direção ao solo, de maneira inversa ao que acontece com uma aeronave. Porém, existe um efeito colateral: arrasto aerodinâmico. Aerofólios grandes e elevados, como os utilizados em Mônaco, atuam como uma parede que “freia” o carro, limitando sua V-Max. Um exemplo clássico foi o caso da HRT, que correu o GP da Itália de 2010 com o setup aerodinâmico usado em Monte Carlo no mesmo ano. O resultado foi uma diferença abissal de V-Max entre a HRT e suas concorrentes diretas (Lotus e Virgin).


HRT em Monza, com o setup aerodinâmico de Mônaco

Ao longo dos anos, diversas ideias interessantes surgiram com o objetivo de reduzir o arrasto e aumentar a V-Max. Algumas delas mais ortodoxas, outras bastante peculiares. Vamos relembrar algumas delas.

A tática mais comum é simplesmente utilizar aerofólios menores para reduzir o arrasto. Em alguns casos, os carros ficam praticamente sem aerofólio, como no caso da Ferrari em Monza, 2009.


Ferrari Monza 2009

Em 2002, a equipe Petrobras de F3000 utilizou um set-up aerodinâmico nada usual para a etapa de Monza. Pelas regras, todos os carros deveriam utilizar um tipo único de aerofólio traseiro. Mas ninguém disse que eles deveriam ser montados de cabeça pra cima. Então, o carro pilotado por Antônio Pizzonia correu com o aerofólio invertido, reduzindo o arrasto. Artifício que não foi o suficiente para trazer bons resultados, uma vez que o piloto brasileiro terminou a corrida fora dos pontos.


Aerofólio invertido

Nos anos 90, havia na F1 dois circuitos de altíssima velocidade: Monza e Hockenheim. Este era composto basicamente por enormes retas, ligadas por algumas chicanes, no meio de uma densa floresta. Para extrair o máximo do limitado motor Yamaha, a Tyrrel decidiu por utilizar os pneus dianteiros no eixo traseiro, reduzindo assim a área frontal do veículo e, por consequência, o arrasto aerodinâmico. A equipe chegou a entrar na pista desta forma durante os treinos livres, mas a Goodyear alegou junto à FIA que seus pneus dianteiros não haviam sido projetados para resistir à tração aplicada nos pneus traseiros, e a ideia foi morta no ninho.


Nesta imagem é possível notar a diferença entre os pneus dianteiros e o ganho em arrasto que advinha da ideia da Tyrrell.

Após ter sua ideia banida em Hockenheim, a Tyrrell encontrou outra maneira de reduzir seu arrasto para Monza. No GP da Itália de 1996, a equipe aplicou um braço de suspensão dianteiro sólido que, apesar de reduzir o arrasto, foi novamente banido pela FIA. Motivo: apêndice aerodinâmico móvel.

Em 2009, a Force India não era uma equipe de ponta, e todos ficaram espantados quando um dos seus carros conquistou a pole no GP da Bélgica, e brigou seriamente pela vitória, sendo vencida apenas pela Ferrari (e o KERS). No GP de Monza, mais uma vez a equipe se destacou, conquistando a segunda posição no grid de largada. Depois deste momento de brilho, a equipe voltou à mediocridade que lhe era peculiar. O que poucos lembram, no entanto, é que durante toda a temporada a Force India era, de longe, o carro de maior V-Max nas medições de fim de reta, revelando um design aerodinâmico excelente em termos de arrasto.


Force India 2009

Nos primórdios, a F1 era uma categoria muito mais aberta, e diversos eram os circuitos de alta velocidade como AVUS, Reims e Monza, em que os carros percorriam enormes trechos em V-Max. Era uma F1 tão liberal que algumas equipes simplesmente aplicavam uma carroceria de sport-protótipo sob o chassi original de F1.

O F1 mais veloz de todos os tempos é o BAR-Honda 067 “Lakester”, de 2005. Atingiu 413,2km/h numa pista de aeroporto nos EUA. Ele não possuía aerofólio traseiro, uma vez que por regra, a F1 não obrigava a utilização de um. Ainda assim, por regulamento são obrigatórios os suportes laterais que, no caso do “Lakester” são tão finos quanto possível.

httpv://youtu.be/1rEROADzJW0
O F1 mais veloz de todos os tempos

Ao longo dos anos, muitas categorias experimentar coberturas nas rodas como uma maneira de reduzir o arrasto. Este artifício se provou muito eficiente, e foram bastante comuns na F1 até o fim de 2009, quando foram banidas.

Calotas aerodinâmicas

Desta maneira, encorajo nossos leitores a lembrar outras ideias aerodinâmicas mirabolantes aplicadas nos mais de 60 anos de Grandes Prêmios.

Abraços.

Fecha ou não fecha?

No último mês de agosto, o acidente de Justin Wilson jogou mais lenha na fogueira de uma velha discussão. Ao ser atingido na cabeça por destroços de um acidente nas voltas finais do GP de Pocono da Indycar, o piloto inglês veio à óbito pouco mais de um mês após ser anunciada a morte de Jules Bianchi, que estava em coma desde o seu acidente no GP do Japão de 2014. Some-se a isso a morte de Henry Surtees, atingido na cabeça por uma roda durante uma corrida de F2 em Brands Hatch em 2009, e o grave incidente em que Felipe Massa foi atingido na cabeça por uma mola desprendida de outro carro no mesmo ano, é legítimo perguntarmos: a Fórmula 1 deve utilizar cockpits fechados para aumentar a segurança dos pilotos no que diz respeito a choques na cabeça?

Atendendo ao chamado da Alessandra Alves em sua última coluna, tentarei aqui dar uma visão um pouco mais técnica do fechamento dos cockpits em monopostos.

Para entender melhor a questão, devemos lembrar por que os cockpits de monopostos são abertos. Apesar de hoje sabermos melhor, na época do estabelecimento da F1 como categoria acreditava-se que um cockpit aberto facilitaria a vida do piloto ao deixar o carro em caso de incêndio. Esta era, inclusive, a justificativa para que não houvessem cintos de segurança.

A segurança dos cockpits na F1 aumentou significativamente desde então, deixando para trás o tempo em que o corpo do piloto ficava exposto dos ombros à cabeça para chegarmos ao ponto em que apenas uma parte do capacete dos pilotos pode ser vista. Estas mudanças ocorreram de maneira mais forte nas últimas duas décadas, como uma resposta aos eventos da temporada de 1994 em que Ratzenberger e Senna tiveram seus acidentes fatais. Atualmente, as laterais dos cockpits são tão elevadas que limitam a visibilidade lateral dos pilotos.

Com isso, pode-se pensar que os cockpits permanecem abertos hoje em dia apenas por uma questão de tradição. Porém, além de tradição, esta configuração de habitáculo possui duas funções mercadológicas importantes: facilitar a identificação dos pilotos e diferenciar dois carros da mesma equipe por meio dos capacetes, e aumentar a sensação (ou realidade) de perigo, tida como uma das características dos esportes a motor.

Muitas propostas diferentes de design de cockpits fechados foram feitas nos últimos anos, mas todas elas se encaixam em uma de três categorias: I) gaiolas metálicas ao redor da cabeça do piloto; II) para-brisas instalados à frente do piloto, mas abertos no topo; e III) escotilhas fechadas (como em caças modernos).

Para verificar a eficácia destas propostas, a própria FIA conduziu testes de impacto com as três configurações. Tais testes consistiam em lançar um conjunto roda + pneu (totalizando uma massa de 20kg) a 255km/h em direção à parte frontal do cockpit – exatamente a dinâmica que vitimou Surtees. Os resultados podem ser conferidos nos vídeos a seguir.

httpv://youtu.be/w7kym3FJOg4

httpv://youtu.be/jgHh4V0WYCs

Como pode ser visto, as três soluções propostas defletiram o conjunto roda + pneu e pouparam a cabeça do piloto do impacto frontal. No entanto, a solução em gaiola não é eficiente para objetos que possuam rota de colisão oblíqua. Por sua vez, o para-brisa aberto no topo não possui resistência e elasticidade suficiente para suportar a colisão. Desta forma, a solução mais eficiente em termos de segurança é a escotilha aeroespacial, que deflete o objeto vindo de qualquer direção e permanece intacta.

Apesar dos resultados animadores, deve-se levar em conta que são enormes os desafios de engenharia a serem resolvidos para a boa aplicação destas proteções.

No caso da gaiola, uma limitação óbvia é a visibilidade, uma vez que o dispositivo impede a plena visão do ambiente por parte do piloto – o que por sua vez aumenta o risco de acidentes. Este é um problema enfrentado pelos protótipos de Le Mans. Os LMPs são o ápice dos carros de corrida com cockpits fechados, e não são muito diferentes dos carros de F1 em termos de engenharia. A construção do chassi não é muito diferente, porém possuem cockpits mais largos e monocoques um pouco mais pesados. Os tetos dos LMP servem como parte da estrutura de rolamento do carro, e para assegurar que possam resistir às cargas dos crash tests aos quais são submetidos, apresentam uma grossa coluna de suporte no para-brisa.

Isso causa uma perda grande de visibilidade, e é um dos pontos aos quais se atribui o acidente de Allan McNish nas 24h de 2011.

httpv://youtu.be/JW3NDGk6YQE

Mesmo nos cockpits de policarbonato testados pela FIA, existe um outro problema de visibilidade que precisa ser tratado: a distorção da imagem causada pela curvatura da peça. Este problema já existe nos LMPs, porém nos monopostos este efeito seria ainda mais pronunciado devido ao cockpit mais estreito.

Indo mais além, os cockpits fechados certamente acumularão sujeira em seu exterior durante as corridas. Os carros do WEC (World Endurance Championship), por exemplo, usam películas removíveis gigantes para resolver este problema, uma solução longe do ideal. Além disso, em corridas com chuva, os carros do WEC são equipados com limpadores de para-brisa, que então teriam de ser adaptados aos monopostos de cockpit fechado.

Ainda, existe o impacto causado na aerodinâmica. Além de reduzir o arrasto frontal, o fluxo do ar para o aerofólio traseiro poderia ser ainda mais otimizado com a escotilha fechada. Estes efeitos combinados levariam a maiores velocidades em reta e, principalmente, em curvas. Como consequência, a severidade dos acidentes aumentaria muito, sem falar na necessidade de adaptação dos circuitos em termos de área de escape.

E ainda existe a razão original de ser dos cockpits abertos: como sair de dentro do veículo com um cockpit 100% fechado? Um sistema similar aos caças F16, com abertura por tombamento à frente, não seria ideal pois não funcionaria em caso de o carro estar de cabeça para baixo ou enterrado em uma barreira de pneus. Talvez uma capota que abrisse deslizando para trás pudesse ser uma opção, mas para isso seria necessário alterar o posicionamento da tomada de ar do motor, e algumas partes do sistema de refrigeração teriam de ser realocados. Por fim, ainda restaria o problema de uma falha no mecanismo após o acidente, o que poderia ser fatal em caso de incêndio. Carros de LMP possuem uma porta de cada lado como backup, artifício impensável nos monopostos devido, novamente, ao cockpit mais estreito.

Um outro ponto a considerar em cockpits totalmente fechados é a habitabilidade do piloto dentro do mesmo. Em aviões caça os pilotos possuem máscaras de oxigênio para poderem respirar, enquanto carros LMP possuem ar condicionado para aliviar o calor do interior do habitáculo (apesar de nem sempre atingir este objetivo à contento).

Por fim, todas as soluções propostas (para-brisas, capotas, estruturas adicionais, limpadores de vidro e ar condicionado) aumentariam o peso dos veículos em uma categoria com severas restrições de distribuição de peso e peso máximo.

Sendo assim, é possível adaptar cockpits fechados aos carros de F1, mas talvez sua adoção não seja desejada dos pontos de vista estético, de engenharia, e também de segurança! É claro que existem benefícios a serem debatidos, e alguns casos de morte certamente seriam evitados, porém de maneira geral, os riscos de segurança poderiam ser maiores.

Ainda, deve-se considerar que a simples adição de estruturas ao carro não necessariamente o torna mais seguro. Muitos dos conceitos testados e propostos não fariam a menor diferença no caso de Jules Bianchi, por exemplo. Aqui vale lembrar que a estrutura de segurança contra rolagem (santantonio) do carro de Bianchi foi simplesmente rasgada do carro no acidente, apesar de ter sido projetada para resistir a 5 toneladas em impacto lateral, 6 toneladas em impacto longintudinal e 9 toneladas em impacto vertical, e não se deformar mais do que 50mm.

Além disso, cockpits fechados podem ser arrancados em razão de acidentes, como aconteceu com Loic Duval em Le Mans 2014.

Sendo assim, é possível concluir que cockpits fechados são factíveis na F1, porém tudo deve ser feito com a maior cautela e severidade possível, para garantir que, no fim das contas, existam ganhos e não perdas em termos de segurança.

Abraços,

Cassio Yared