Como Funciona um Túnel de Vento de F1?

Túneis de vento de F1 funcionam soprando ar sobre um modelo em escala de um carro para medir forças aerodinâmicas e otimizar o design. O modelo, normalmente com 60% do tamanho real, é colocado no túnel e submetido a velocidades do vento de até 50 metros por segundo. Sensores e câmeras coletam dados sobre arrasto, força descendente (downforce) e padrões de fluxo de ar, que os engenheiros usam para refinar o formato do carro e obter o máximo desempenho na pista.

Como Funcionam os Túneis de Vento de F1

As equipes de F1 usam o túnel de vento para verificar se ideias que parecem boas em simulações de computador realmente funcionam, e para analisar a eficácia de diferentes conceitos, componentes e atualizações.

Na vida real, enquanto o carro avança na pista, ele se move através do ar. No túnel de vento, isso é invertido. O modelo do carro é fixado, e o ar move-se sobre ele, essencialmente soprando vento com um ventilador grande.

Os túneis de vento foram originalmente desenvolvidos para a indústria aeronáutica e são usados na Fórmula 1 há 50 anos.

Com o tempo, os túneis de vento da Fórmula 1 evoluíram e se tornaram ainda mais especializados. Uma das maiores diferenças entre os túneis usados na indústria aeroespacial e os do automobilismo é que o túnel de vento da F1 possui piso móvel.

Isso é essencialmente uma esteira transportadora muito rápida que viaja na mesma velocidade do vento, simulando, de fato, o fluxo relativo entre a estrada e o carro.

Enquanto o chassi real é feito de carbono, o centro do modelo do túnel de vento é uma estrutura sólida de alumínio chamada de “espinha dorsal”, com vários componentes parafusados sobre ela. Isso permite aos engenheiros alterar facilmente uma parte do carro sem afetar as outras.

A maioria das peças do modelo de túnel de vento da F1 é feita com prototipagem rápida e impressão 3D, e componentes como as asas são de metal.

O modelo está cheio de sensores, e os analistas usam diferentes métodos de alta tecnologia para coletar dados. Eles também podem alterar a altura e a altitude do modelo durante o teste para simular como o carro muda e navega pela pista.

Uma passagem no túnel gera uma enorme quantidade de dados para análise. Isso ajuda as equipes a construir um quadro do comportamento do fluxo e decidir se um conceito ou atualização pode avançar para ser testado na pista.

O túnel de vento da Mercedes foi projetado para abrigar um carro em escala real, e isso já foi feito no passado, mas os reguladores consideraram isso muito caro. Agora, as equipes estão limitadas a usar modelos com 60% do tamanho real.

Também existem outras restrições introduzidas para reduzir custos. As equipes só podem usar um túnel de vento, e não podem operar o túnel a mais de 180 km/h, pouco mais de 110 milhas por hora.

Isso pode parecer rápido, mas limita a capacidade de simular completamente o que acontece na pista.

Há também restrições sobre quantos testes cada equipe pode realizar. Essas limitações já existem há alguns anos, mas restrições adicionais foram introduzidas antes da temporada de 2021.

O número de testes que uma equipe pode realizar agora depende da sua posição no Campeonato de Construtores.

A equipe que termina em último lugar tem direito a 25% mais testes do que a equipe que termina em primeiro, com uma escala gradual para as equipes intermediárias.

As restrições ficaram ainda mais rigorosas para a temporada de 2022 em diante, enquanto a FIA tenta aproximar o desempenho das equipes. Essas limitações mais restritivas colocam pressão sobre os engenheiros para obterem o máximo de cada teste, forçando-os a adaptar sua forma de trabalhar.

Além disso, o túnel em si possui alguns aspectos interessantes:

• A área de testes, composta por uma base onde o carro é posicionado para medir a sustentação ou força descendente. Esse é o ponto mais estreito do túnel, forçando o ar a ganhar impulso e potência pouco antes de passar sobre o carro.
• A área de propulsão, onde o vento passa pelo ventilador.
• O difusor, uma seção do túnel que se alarga gradualmente, ajudando a desacelerar o ar para que ele possa ser direcionado mais facilmente.
• A área de estabilização, localizada antes da área de testes, consiste em uma malha com estrutura de favo de mel que direciona o fluxo em um caminho reto e previsível.
• A unidade de compensação e/ou resfriamento fica dentro do circuito para evitar surtos de pressão quando o ar se move.

Há várias partes na área de testes também:

1. Os dois braços longos que mantêm o carro no lugar.
2. Debaixo do carro, uma pista rolante pode ser usada para igualar a velocidade do vento e evitar que o ar se prenda à pista e assim distorça as leituras dos sensores.
3. O próprio carro, que pode ter apenas 60% do tamanho de um carro de F1 real.

FAQs sobre Túneis de Vento de F1

Quais são as vantagens dos testes em túneis de vento para carros?

A aerodinâmica sempre foi desenvolvida com modelos em escala, e isso continuará assim por um bom tempo.

A CFD (Dinâmica de Fluidos Computacional) está em constante evolução, mas ainda não substitui os testes em túnel de vento, embora o objetivo da F1 seja acabar com os testes em túnel até 2030. Atualmente, apenas duas das 10 equipes querem manter os túneis de vento além desse ponto: a Mercedes e, acredita-se, a Red Bull.

Para desenvolver aerodinâmica, todas as principais equipes de F1 usam atualmente programas de túnel de vento com modelos em escala.

As vantagens dos testes em túnel de vento com modelos em escala são numerosas:

• A correlação entre os resultados do modelo e o desempenho real na pista pode ser excelente. Um modelo de túnel de vento preciso, testes inteligentes e um modelo em escala preciso são necessários para isso.
• Precisão: túneis e modelos de alto nível geralmente medem forças no modelo com precisão de até 0,1% das forças totais.
• Velocidade de desenvolvimento: durante uma execução de 15 minutos em um túnel de vento sofisticado usado por uma equipe de F1, até 25 atitudes do carro podem ser simuladas, gerando uma gama completa de dados aerodinâmicos em tempo real para estudo detalhado.
• Flexibilidade de teste: programas de túnel de vento permitem que os aerodinamicistas respondam rapidamente aos resultados e ajustem o programa de testes de acordo. Isso pode envolver ajustes rápidos no modelo ou inclusão/remoção de testes. Essa flexibilidade torna o processo extremamente eficiente.
• As peças de teste são muito mais baratas e podem ser projetadas/fabricadas muito mais rapidamente do que testes em escala real. Os testes com modelos em escala também podem ser muito mais econômicos.

Quanto custa um túnel de vento de F1?

As equipes de Fórmula 1 investem entre US$ 60-100 milhões para construir seus próprios túneis de vento nas fábricas, a fim de desenvolver a aerodinâmica de seus carros.

Túneis mais sofisticados e caros normalmente usam um ventilador grande. Devido às pás maiores, a turbulência é reduzida, mas ainda pode haver bastante turbulência, o que afeta a precisão das medições de fluxo. A McLaren possui um túnel de 145 metros de comprimento, com formato de circuito retangular, movido por um ventilador gigante de quatro metros de diâmetro girando a 600 rpm.

As equipes de F1 operavam seus túneis o dia todo, todos os dias, antes das restrições de 2009.

Com o uso de CFD (dinâmica de fluidos computacional), as equipes conseguem reduzir o tempo no túnel de vento, já que o software prevê como o carro irá se comportar com base em suas dimensões. O software está em constante evolução e é mais barato do que testes físicos que requerem mais trabalho, dinheiro e espaço.

Quanto tempo de túnel de vento as equipes de F1 têm?

Com a introdução do teto de gastos em 2021, a alocação padrão foi reduzida em mais de 30%, para apenas 40 execuções por semana.

Além disso, o tempo de teste em túnel de vento e CFD passou a depender do desempenho em pista de cada equipe.

A Mercedes recebeu 90% da alocação em 2021, equivalente a 36 execuções semanais (quase metade do que tiveram em 2020). À medida que se desce na classificação, a alocação aumenta.

Na outra ponta, a Williams em 10º recebeu 112,5% da alocação, ou 45 execuções semanais para desenvolver seu carro de 2021.

As alocações foram reduzidas para todas as equipes, exceto as colocadas em 9º e 10º. A equipe líder recebe 70%, ou 28 execuções por semana. A equipe em 10º lugar viu sua alocação aumentar para 46.

Antes, o desenvolvimento aerodinâmico era irrestrito. Algumas equipes operavam seus túneis 24 horas por dia e usavam mais de um túnel.

Todas as equipes de F1 possuem seus próprios túneis de vento?

Não, nem todas possuem seus próprios túneis de vento. Algumas equipes compartilham instalações, como Ferrari e Haas, Red Bull e Racing Bulls. No entanto, equipes como McLaren e Aston Martin investiram recentemente em túneis de vento próprios e modernos.

Quantas horas de túnel de vento as equipes recebem?

As equipes recebem uma alocação com base na posição no Campeonato de Construtores do ano anterior. A equipe que termina em último lugar recebe mais horas, enquanto a vencedora recebe menos. Para a temporada de 2024, o tempo variava de 320 horas para a equipe campeã até 400 horas para a décima colocada.

Qual é o limite de velocidade no túnel de vento da F1?

A velocidade máxima permitida é de 50 metros por segundo (aproximadamente 112 mph). Isso é medido em relação ao modelo de carro em escala, que normalmente tem 60% do tamanho de um carro real de F1. As regras também estabelecem que a taxa de variação da velocidade do vento não pode ultrapassar 4,5 metros por segundo ao quadrado.

Traduzido do artigo original em inglês “How Does An F1 Wind Tunnel Work?“