A maioria das pessoas pensa que descobrir o arrasto aerodinâmico de seu veículo requer uma instalação de US$ 50 mil e uma equipe de engenheiros. Isso não acontece. Na verdade, você pode calcular quanta resistência está no seu carro usando física básica, um cronômetro e um amigo. É surpreendentemente simples se você abandonar o jargão corporativo e se ater à segunda lei de Newton.
O conceito central é direto. A segunda lei de Newton afirma que Força é igual a massa vezes aceleração (F = ma ). Quando você navega em velocidade constante, a potência do motor se traduz em força nos pneus. Nesse exato momento, o arrasto aerodinâmico que empurra para trás é igual à força que empurra para frente. A força resultante é zero. Você não está acelerando. Você não está desacelerando. Você está em equilíbrio.
Coloque o carro em ponto morto e esse equilíbrio desaparece. O motor para de puxar. A gravidade e a resistência ao rolamento assumem o controle, mas a força dominante que retarda você é a resistência do ar. Ao medir a rapidez com que você desacelera, você pode trabalhar para trás para encontrar a força de arrasto.
A equação da carga rodoviária
Antes de sair correndo para a estrada, você precisa entender as forças em jogo. A resistência total ao movimento – muitas vezes chamada de força de carga em estrada – segue uma fórmula específica:
força de carga rodoviária = a + bv + cv²
Aqui, v é a sua velocidade. As letras a, b e c são constantes que representam diferentes resistências físicas:
- O termo ‘a’: Isto é independente da velocidade. Isso vem da resistência ao rolamento dos pneus e do atrito interno, como fricção leve nas pastilhas de freio ou arrasto no rolamento da roda.
- O termo ‘b’: Isso também decorre do atrito dos componentes e da resistência ao rolamento, embora aumente ligeiramente com a velocidade.
- O termo ‘c’: Este é o grande problema para entusiastas. Representa o arrasto aerodinâmico. Depende da sua área frontal, do seu coeficiente de arrasto (Cd) e da densidade do ar.
Observe o v² na equação. A força não cresce linearmente; cresce exponencialmente. O arrasto a 70 mph é significativamente maior do que a 60 mph. É por isso que a eficiência em alta velocidade é tão importante.
Como a força muda rapidamente com a velocidade, é necessário medir a aceleração em uma janela muito estreita. Uma extensão de 3 mph ou 5 km/h é ideal. Usaremos unidades métricas para a matemática, pois são mais limpas.
A Experiência
Digamos que seu carro, mais você e seu copiloto, pese 2.000 quilos. Você deseja testar o arrasto a cerca de 60 mph. No sistema métrico, isso equivale a cerca de 97,5 km/h. Portanto, você precisa medir a desaceleração entre 100 km/h e 95 km/h.
Encontre um trecho longo e plano da rodovia. Baixo tráfego é essencial. Escolha um dia com ventos calmos e pavimento seco. A chuva aumenta o peso e altera a aderência dos pneus; o vento introduz variáveis que você não pode controlar.
Faça com que seu passageiro dirija até 105 km/h. Mude para neutro. Comece a desacelerar. Quando o velocímetro atingir 100 km/h, acione o cronômetro. Pare quando o carro atingir 95 km/h. Faça isso algumas vezes, talvez dirigindo na direção oposta para compensar pequenas inclinações ou rajadas de vento. Registre os tempos.
Vamos supor que seu tempo médio seja de 10 segundos. Agora, faça as contas.
Primeiro, converta a queda de velocidade em metros por segundo. Uma queda de 5 km/h equivale a 5.000 metros por hora. Divida por 3.600 para obter os segundos. São 1,389 metros por segundo.
Se demorou 10 segundos para diminuir essa velocidade, a desaceleração será:
1,389 m/s ÷ 10 s = 0,1389 m/s²
Agora, insira isso em F = ma.
Massa = 2.000kg
Aceleração = 0,1389 m/s²
Força = 2.000 × 0,1389 = 277,8 Newtons
Colocando isso em termos imperiais (já que a maioria dos entusiastas americanos pensa em libras), 277,8 Newtons equivalem a aproximadamente 60 libras de força. Isso significa que a 60 mph, seu carro está lutando contra 60 libras de resistência ao vento. Para manter essa velocidade, seu motor deve gerar 60 libras de força nas rodas.
Calculando a perda de potência
Conhecer a força é útil, mas a maioria das pessoas quer saber a perda de potência. Potência é simplesmente Força multiplicada por Velocidade.
Use sua velocidade média para o teste: 97,5 km/h, ou seja, 27 metros por segundo.
Potência (Watts) = Força (Newtons) × Velocidade (m/s)
Potência = 278 N × 27 m/s = 7.500 Watts
Converta isso em quilowatts e você obterá 7,5 kW. Em cavalos de potência, isso equivale a cerca de 10 HP.
Então, a 60 mph, apenas para superar o arrasto aerodinâmico e a resistência ao rolamento, seu carro está usando cerca de 10 cavalos de potência. O resto da produção do seu motor vai para coisas como o alternador, o compressor AC e a superação do atrito interno.
É um número pequeno, mas faz sentido. A 160 km/h, essa força de arrasto triplica e a potência necessária para superá-la aumenta dramaticamente. É por isso que um sedã elegante obtém melhor quilometragem nas estradas do que um SUV quadrado, mesmo que tenham o mesmo motor. O ar não se preocupa com a fidelidade à sua marca. Ele só se preocupa com forma e velocidade.
Meça uma vez. Você pode se surpreender com a quantidade de energia que simplesmente… acabou. Ao vento.