Os efeitos da área frontal sobre a aerodinâmica

Tenho dúvida sobre o cálculo da área frontal de um veículo, que interfere na aerodinâmica, no desempenho e no consumo. Entendo que quanto maior a altura e a largura de um veículo, maior será sua área frontal. Entretanto, encontrei dados divergentes, como no atual Fiat Palio (2,30 m² de área) e no Grand Siena (2,20 m²), sendo que o sedã é mais largo e alto que o hatch. Outro caso é do Ford New Fiesta Hatch, com 2,30 m², enquanto o sedã teria 2,12 m². Outras incoerências: Renault Logan com 2,12 m², Toyota Etios com 2,07 m² e novo Ford Ka com 2,06 m².

Carros com dimensões e formatos semelhantes não deveriam ter números tão diferentes, certo? Da mesma forma, não deveria haver variação significativa da área frontal entre o hatch e o sedã. Assim, como é realizado o cálculo da área frontal? O vão entre a carroceria e o solo é considerado? Costumo usar a fórmula altura x largura x 0,85. Este critério é válido? No caso dos carros da VW e da PSA os resultados se aproximam dos dados divulgados, mas por ele o Palio deveria ter 2,12 m², o Fiesta hatch 2,10 m², o Logan 2,22 m², o Etios 2,18 m², e o Ka, 2,20 m². Acompanho este site desde o início e sei que é feito por gente que gosta e entende de automóvel.

Rogério Ferreira – Brasília, DF

 

Perguntas desse tipo mostram o nível de leitores que temos, o que nos permite ir um pouco além do que é publicado na maior parte da imprensa. Você está certo em considerar também a área frontal, pois na equação de aerodinâmica ela possui o mesmo peso que o conhecido coeficiente aerodinâmico (Cx). Veja as equações abaixo:

 

Formulas de aerodinamica

 

Para ser mais didático, o Cx de uma bola será sempre o mesmo, 0,5, tanto faz se a bola é pequena ou grande (claro que uma grande variação de tamanho, como entre uma esfera bem pequena de rolamento e uma esfera de 10 metros de raio, influencia o Cx pelas propriedades do fluido, mas então entraríamos nas aulas de mecânica dos fluidos da engenharia, o que não é nosso intuito).

Na segunda fórmula, percebemos a potência necessária para vencer a resistência do ar. Note que a velocidade está ao cubo: assim, para se dobrar a velocidade, precisa-se de 8 vezes a potência anterior. Ou seja, se a 100 km/h determinado veículo precisa de 20 cv só para vencer o arrasto aerodinâmico, a 200 km/h precisará de 160 cv (20*8).

Não se pode esquecer que a densidade do ar tem grande peso na equação. Em grande altitude e antes de uma chuva (pressão atmosférica mais baixa), têm-se valores de resistência aerodinâmica até 30% menores que ao nível do mar em dia frio (ar mais denso) e seco (pressão mais alta). Só com esse fator já se pode se ter grande diferença de resultado aerodinâmico e de consumo de combustível. Por isso, no caso de veículo com motor turboalimentado, que não sofre perda de potência em função da altitude, a velocidade máxima em grande altitude pode ser maior que ao nível do mar.

Não sabemos onde o leitor encontrou seus valores de área frontal, que são muito raros nas fichas técnicas de fabricantes (hoje há até os que omitem relações de marcha!). Dispomos de dados de poucas marcas, como Volkswagen e Audi. A título de exemplos, a área do atual VW Gol é de 2,01 m²; a do Fox, 2,17 m²; a da Spacefox, 2,18 cm³; a da Space Cross, 2,24 m² (provavelmente maior que na Spacefox pelo maior vão livre do solo, que deixa os pneus mais expostos na área frontal); e a do Jetta, de 2,19 m². O largo e baixo Audi S7 Sportback tem 2,29 m² e o utilitário esporte grande Audi Q7 marca 2,86 m².

 

Picape GMC Sierra e sedã Kia Cadenza em testes de túnel de vento: o Cx e a área frontal são multiplicados para se conhecer a resistência aerodinâmica

 

Como se vê pelos exemplos, os citados 2,30 m² para o Fiesta estão excessivos: 2,12 m² são mais coerentes, sem variação entre hatch e sedã, pois nesse caso apenas as traseiras são diferentes — o Cx, por outro lado, costuma variar entre essas carrocerias a favor do sedã. Também estranhamos 2,30 m³ para o Palio, até por ser 3 cm mais estreito que o Grand Siena (as alturas são quase idênticas). Para mensurar o efeito da menor largura, claro, é preciso saber se ela se refere a toda a seção frontal ou apenas a partes da carroceria, como arcos de para-lamas.

Para entender por que a área frontal para o Fiesta hatch e o sedã deve ser a mesma, imagine olhar o carro com uma luz distante incidindo exatamente de frente contra ele e projetando sua sombra numa parede atrás. Tudo o que for sombra na parede conta como área frontal, ou seja, o vão livre entre solo e carroceria não entra na conta (mas tem grande influência no Cx: quanto menor esse vão, melhor o Cx).

No caso dos Fiestas, as sombras de hatch e sedã seriam iguais na parede. É comum que seja assim entre essas versões, pois em regra os fabricantes desenham a traseira mais estreita que o centro do carro: além do melhor aspecto visual, isso favorece o Cx por formar menos vórtices. Olhe qualquer carro de cima e você perceberá como a traseira vai se “fechando”, como uma gota caindo do céu — parte maior na frente e afunilando atrás. A traseira de qualquer veículo ou objeto tem enorme influência no Cx, tanto que se usam frisos e pequenos defletores que podem até parecer inúteis, mas ajudam a quebrar os vórtices atrás do carro e favorecem o Cx.

Embora alguns livros informem aproximações para calcular a área, como a citada de 0,85 x altura x largura, isso pode ter grande variação pois o formato dos veículos é bem diverso. Carros com o teto bem mais estreito que as laterais conseguem reduzir a área frontal e melhorar o arrasto, enquanto um furgão ou minivan, com janelas mais verticais, tem área frontal maior na região superior. Os fabricantes obtêm o valor exato por modelos de desenho em CAD e o Cx oficial no túnel do vento (apesar de simulações o previrem com muita exatidão hoje). Pode-se também tentar calcular a área frontal de forma caseira, tirando uma foto de frente do veículo (o mais distante possível), encostado em um fundo branco, e usar algum programa de imagem para calcular a área.

 

 

É importante notar que o resultado importante para a aerodinâmica é o Cx.A (Cx vezes área frontal), que em automóveis varia entre 0,65 e 0,75 nos casos mais comuns (em utilitários e picapes é maior). Um carro com Cx alto, só que estreito e baixo, pode no fim obter a mesma força de arrasto de um modelo com Cx baixo, só que de carroceria mais alta e larga. Contudo, em regra quanto menor o Cx menor o ruído do ar passando pela carroceria, pois se formam menos vórtices — tanto que os fabricantes se esforçam ao máximo para reduzir esses vórtices na região das janelas e portas, onde os ruídos incomodariam mais os ocupantes.

Quanto aos valores de Cx e área divulgados pelos fabricantes, nunca se sabe se são os corretos, pois é de seu interesse obter imagem de um melhor resultado aerodinâmico. Afinal, não é comum publicações ou outros órgãos disporem de túnel de vento (são raros e caros) para conferir esses valores.

Vale lembrar que tanto o Cx quanto a área frontal podem variar entre versões do mesmo modelo, por fatores como pneus mais largos, maior vão livre do solo e acréscimo de itens como defletores, aerofólios e tomadas de ar ampliadas. A questão de admissão de ar é tão relevante que hoje temos veículos — como o Ford Fusion Titanium — que fecham a entrada pela grade frontal, para melhorar o Cx, quando o sistema de arrefecimento não precisa de grande circulação de ar para manter as temperaturas sobre controle. Fechando-se a grade, evita-se que o ar tenha que passar por aquele emaranhado de peças por dentro do cofre até sair por baixo ou pelas caixas de rodas.

Texto: Felipe Hoffmann – Fotos: divulgação