aula_5_aerodinamica

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Dinâmica de Veículos
2/2013
Profa. Suzana Moreira Avila
AERODINÂMICA
AULA 7
Aerodinâmica – DEFINIÇÃO
A aerodinâmica é o estudo do movimento de
fluidos gasosos, relativo às suas propriedades
e características, e às forças que exercem em
corpos sólidos neles imersos.
Aerodinâmica – DEFINIÇÃO
Relacionada com a capacidade que um
determinado corpo tem para enfrentar a
barreira de ar que se forma a sua frente
durante um deslocamento em alta velocidade.
Aerodinâmica Veicular
Aerodinâmica Veicular
• A primeira preocupação dos construtores foi
justamente com o problema da resistência
aerodinâmica, já que esta afeta sensivelmente a
potência consumida pelo veículo.
• Embora os primeiros estudos detalhados tenham
sido iniciados em 1920,até o dia de hoje a maioria
dos carros possuem uma forma que leva a um
desperdício de potência da ordem de 30 a 40%.
Fonte: Apostila Prof. Nicolazzi
Forças Aerodinâmicas
Forças Aerodinâmicas
http://autoentusiastas.blogspot.com.br
Arrasto
Força gerada quando um objeto sólido se
move através de um meio fluido como água ou
ar. Ela aumenta com a velocidade.
Arrasto
2
2
1 VACF AA ρ=
• Força de arrasto
• CA = coeficiente de arrasto
3/22557.1 mKgar =ρ
Coeficiente de Arrasto
• Quanto menor o coeficiente de arrasto CA melhor a
aerodinâmica do veículo.
•Superfícies suaves e arredondadas permitem que o ar
flua melhor reduzindo o arrasto. Ex.: gota d’água.
•Carros atuais tem um CA por volta de 0,3. Picapes
“quadradonas” tem um CAem torno de 0,4.
Fonte: www.howstuffworks.com
Coeficiente de Arrasto
• Veículo híbrido Toyota Prius, tem CA = 0,26. Uma 
redução no CA em 0,1 pode diminuir o consumo em
0,09 Km/l
Fonte: www.howstuffworks.com
Coeficiente de Arrasto
Coeficiente de Arrasto
Fonte: Apostila PUCRS/DEM Prof. Jorge V. Alé
Desenvolvimento da camada limite
• A equação de Bernoulli explica como pressão e velocidade
devem variar em um fluxo de ar bruto ao longo de uma
carroceria.
• Na ausência de atrito o ar simplesmente flui sobre o capô e em
seguida desce para a traseira do veículo, trocando pressão por
velocidade como foi feito na parte dianteira.
• Neste caso as pressões na traseira do veículo se balanceariam
exatamente com as da parte dianteira e nenhum arrasto seria
produzido.
Desenvolvimento da camada limite
• A formação da camada limite é função da viscosidade do fluido,
da condição de aderência da parede (fricção na superfície) .
• O desenvolvimento da camada limite inicia-se laminar mas
eventualmente torna-se uma camada limite turbulenta.
Desenvolvimento da camada limite
• Devido a um gradiente de pressão adverso existe a separação
da camada limite.
• Este ponto age revertendo o escoamento, desta forma o
escoamento deixa de estar “colado” a superfície do corpo.
Desenvolvimento da camada limite
• O fenômeno da separação da camada limite é instável, ou seja, o
ponto de separação oscila sobre o corpo.
• Vórtices são fomados e o fluxo é bastante irregular nesta região.
Desenvolvimento da camada limite
Desenvolvimento da camada limite
Formas de baixa resistência 
aerodinâmica
Fonte: Apostila Prof. Nicolazzi
CA = 0,05
CA = 0,20
A presença do solo perturba as linhas de fluxo. A proximidade do 
solo torna o fluxo assimétrico
Formas de baixa resistência 
aerodinâmica
Fonte: Apostila Prof. Nicolazzi
Os fusos apresentam bons resultados quando afastados do solo.
Formas de baixa resistência 
aerodinâmica
Fonte: Apostila Prof. Nicolazzi
Meio fuso: forma eficiente quando o veículo fica bem próximo ao 
solo. O que na prática não é muito adequado pois em todos os 
veículos de passeio existe um vão entre o fundo e o solo da 
ordem de 250 mm.
Formas de baixa resistência 
aerodinâmica
Fonte: Apostila Prof. Nicolazzi
De forma a possibilitar este espaço a forma indicada é a
intermediária entre entre o fuso e o semi-fuso, ou seja um fuso
assimétrico.
CA = 0,13
Formas de baixa resistência 
aerodinâmica – Forma J
Fonte: Apostila Prof. Nicolazzi
Formas de baixa resistência 
aerodinâmica – Forma J
CITROEN DS
PORSCHE 911
Formas de baixa resistência 
aerodinâmica – Forma J
• Carrocerias com este formato apresentam vantagem de que a
camada limite conserva-se ligada até o final, o que implica em
turbulência e CA baixos.
• No entanto para que isto seja possível, o comprimento do carro
deve ser grande, o que é uma desvantagem. Procurou-se
contornar o problema encurtando a parte traseira do veículo.
• Porém a camada limite não se mantém colada até o final, o
que causa um aumento significativo da turbulência na traseira
aumentando a resistência do ar.
VW SEDAN
Formas de baixa resistênia 
aerodinâmica – Forma K
• Por volta de 1940, o Prof. Kamm apresentou sua concepção:
a traseira do veículo cortada, apresentando uma superfície e não
uma ponta ou aresta.
Formas de baixa resistênia 
aerodinâmica – Forma K
• A solução apresenta uma resistência superior à forma J
original mas com comprimento de carro bem menor.
Formas de baixa resistênia 
aerodinâmica – Forma K
• Para as duas formas com o mesmo comprimento a forma de
Kamm possui menor coeficiente de resistência pois a área de
turbulência é sensivelmente menor.
Formas de baixa resistência 
aerodinâmica – Estudos de Lay
Meios de diminuir a resistência do ar
Sucção da camada limite (refrigeração de motor traseiro
Ex. Porsche 911
Meios de diminuir a resistência do ar
Palhetas direcionais
Meios de diminuir a resistência do ar
Cantos auxiliares
Distribuição de Pressão
• O estudo de como se distribui a pressão, sobre a carroceria do
veículo, permite uma previsão do seu comportamento.
• O veículo pouco aerodinâmico apresenta distribuição de pressão
bastante irregular, com picos acentuados. Essas irregularidades
correspondem a flutuações bastante bruscas de velocidade do
fluido e consequente formação de turbulência.
Distribuição de Pressão
Distribuição de Pressão
Força de sustentação
Força de sustentação
• Princípios físicos fundamentais: Terceira lei de Newton e o Princípio 
de Bernoulli.
• Se existir um ângulo positivo entre a asa e a direção do escoamento, o 
ar é forçado a mudar de direção, assim, a parcela de escoamento na 
parte inferior da asa é forçada para baixo e em reação a essa 
mudança de direção do escoamento na parte inferior da asa, a mesma 
é forçada para cima, ou seja, a asa aplica uma força para baixo no ar e 
o ar aplica na asa uma força de mesma magnitude no sentido de 
empurrar a asa para cima. 
• Essa criação da força de sustentação pode ser explicada pela
terceira lei de Newton, ou seja, para qualquer força de ação aplicada 
existe uma reação de mesma intensidade, direção e sentido oposto.
• O ângulo pelo qual o escoamento é defletido por uma superfície 
geradora de sustentação é chamado de ângulo de ataque induzido 
“downwash angle”.
Força de sustentação
• Princípios físicos fundamentais: Terceira lei de Newton e o Princípio 
de Bernoulli.
• Se existir um ângulo positivo entre a asa e a direção do escoamento, o 
ar é forçado a mudar de direção, assim, a parcela de escoamento na 
parte inferior da asa é forçada para baixo e em reação a essa 
mudança de direção do escoamento na parte inferior da asa, a mesma 
é forçada para cima, ou seja, a asa aplica uma força para baixo no ar e 
o ar aplica na asa uma força de mesma magnitude no sentido de 
empurrar a asa para cima. 
• Essa criação da força de sustentação pode ser explicada pela
terceira lei de Newton, ou seja, para qualquer força de ação aplicada 
existe uma reação de mesma intensidade, direção e sentido oposto.
• O ângulo pelo qual o escoamentoé defletido por uma superfície 
geradora de sustentação é chamado de ângulo de ataque induzido 
“downwash angle”.
Princípio de Bernoulli
"Se a velocidade de uma partícula de um fluido 
aumenta enquanto ela escoa ao longo de uma 
linha de corrente, a pressão do fluido deve 
diminuir e vice-versa".
Equação de Bernoulli
����Á���� + �
��Â
��� = ������
����Á���� +
1
2
��� = ������
ρ = densidade do ar
V = velocidade do ar
Princípio de Bernoulli
• O principio de Bernoulli prediz que a energia total de uma partícula deve 
ser constante em todos os pontos de um escoamento.
• Na parte superior de uma asa a velocidade do ar é maior (as partículas 
percorrem uma distância maior no mesmo intervalo de tempo quando 
comparadas à superfície inferior da asa), logo, a pressão estática na 
superfície superior é menor do que na superfície inferior, o que acaba por 
criar uma força de sustentação de baixo para cima.
Princípio de Bernoulli
Para o caso de um perfil inclinado de um ângulo positivo em relação
à direção do escoamento, as partículas de ar terão uma maior velocidade na
superfície superior do perfil quando comparadas a superfície inferior, desse
modo, a diferença de pressão estática existente entre a superfície superior e
inferior será a responsável pela criação da força de sustentação.
Princípio de Bernoulli
Variação da pressão ao longo do fluxo de ar sobre um cilindro
Downforce
Primeiro prototipo de competição com assas geradoras de downforce
Downforce
Assim como uma asa de avião, conforme o carro avança pelo ar parte
dele escoa por cima do carro, enquanto outra parte passa por baixo
dele. E da mesma forma que a asa de um avião, o ar que passa por
cima é obrigado a fazer um percurso curvo, mais longo que o
percurso reto do ar que passa por baixo do carro. Isto gera uma força
de sustentação orientada de baixo para cima da mesma forma que a
asa do avião, aliviando o contato entre os pneus e o solo.
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Downforce
A aerodinâmica é focada não somente na redução do arrasto 
como também na geração de sustentação negativa passou a 
ser considerada uma ciência chave da indústria 
automobilística.
Os aerofólios foram os primeiros dispositivos utilizados nos 
carros de corrida visando o aumento de peso aparente sobre 
os componentes pneumáticos.
Confinamento da lâmina de ar sobre o carro
Conforme o carro avança sobre a pista em alta velocidade, a 
parte superior da lâmina de ar sob o carro adere ao assoalho 
irregular e cheio de saliências do carro, e ao solo parado na 
parte inferior. Este processo, chamado de cisalhamento da 
lâmina de ar, gera um fluxo altamente turbulento entre o 
carro e o piso.
Confinamento da lâmina de ar sobre o carro
• O ar turbulento sob o carro se desloca como os rolos de 
um rolamento. Sendo o ar um fluido, a centrifugação 
tende a expandir estes rolos, mas como o fluxo encontra-
se confinado entre o assoalho do carro e o piso, estes 
rolos geram uma pressão que tende a separar o carro do 
piso. Isto gera uma componente adicional de sustentação.
• Outra propriedade da lâmina turbulenta sob o carro é a de 
formar um colchão de ar muito consistente. Conforme o 
nível da pista oscila, quando o piso sobe, o colchão 
empurra o carro para cima, e quando o piso desce, o 
colchão segura o carro elevado.
Confinamento da lâmina de ar sobre o carro
Podemos ter uma noção de quanto esse fluxo é turbulento e
energético ao observar um carro andando em alta velocidade
sobre uma pista molhada. O turbilhonamento é capaz de
retirar água da pista além daquela projetada pelos pneus,
mantê-la suspensa no fluxo, até ela ser ejetada na zona de
baixa pressão atrás do carro.
Confinamento da lâmina de ar sobre o carro
A melhor forma de reduzir o cisalhamento da lâmina de ar é 
adotando um fundo o mais plano e liso possível. Assim, há 
pouca aderência da lâmina de ar ao assoalho do carro.
Confinamento da lâmina de ar sobre o carro
• O ar frontal que entra por baixo do carro está sob alta
pressão, e esta pressão vai caindo até chegar na zona de
baixa pressão atrás do carro. Embora a força de
sustentação esteja distribuída ao longo de todo
comprimento do carro, o gradiente decrescente de
pressão alivia mais o contato do solo das rodas da frente
que as rodas de trás.
• O ângulo do assoalho do carro em relação ao solo é uma
componente adicional ao fenômeno do confinamento.
• Se o assoalho estiver mais alto na frente, uma grande
quantidade de ar ficará presa sob o carro e será
comprimida para sair pela estreita passagem traseira.
Esta compressão cria uma considerável força de
sustentação positiva indesejável.
Confinamento da lâmina de ar sobre o carro
• Nos automóveis, o ideal é usar o assoalho inclinado para
a frente, coletando pouco ar na frente por uma passagem
estreita, que acelera o fluxo e diminui dinamicamente a
alta pressão desse ar, assim como num carburador, e este
ar precisará se expandir para passar pela larga passagem
traseira, gerando força vertical descendente (downforce).
Resistência Aerodinâmica
ACqD XA ⋅⋅=
� pressão dinâmica ⇒ q = 0.5ρV²
� coeficiente de arrasto ⇒C
x
� área frontal ⇒ A
� densidade do ar⇒ ρ
onde, ρ = 1.22557 kg/m³ (15ºC; 760mmHg)
Resistência Aerodinâmica
ACqD XA ⋅⋅=
Referências
� Gillespie T.D., Fundamentals of Vehicle Dynamics, 
SAE, 1992
� Nicolazzi L.C., Leal L.C.M. & Rosa E., Introdução a 
Teoria de Veículos, 2007.
� http://autoentusiastas.blogspot.com.br