Como se calcula a força G sobre pilotos?

Em 29 de abril de 2001, funcionários da CART (Champion Auto Racing Teams-site em inglês) cancelaram uma corrida no Texas Motor Speedway (site em inglês) porque os pilotos tiveram vertigens após apenas 10 voltas. A combinação de altas velocidades e curvas fechadas do Texas Motor Speedway gera forças de quase 5 G nas voltas. Um G é a aceleração da gravidade da Terra - se ela for multiplicada pela massa de uma pessoa é possível determinaro quanto essa pessoa pesa. A 5 G, um piloto experimenta uma força igual a cinco vezes o seu peso. Por exemplo, em uma curva a 5 G, o piloto tem a sensação de uma força que corresponde àquela exercida por uma massa que varia de aproximadamente 27 a 32 kg (60 a 70 libras) empurrando sua cabeça para o lado. Vejamos como calcular quantos G um carro gera em uma curva e como esses Champ cars podem permanecer na pista mesmo submetidos a forças tão altas.

O cálculo das forças G sobre os pilotos é realmente bem simples. Precisamos somente conhecer o raio das curvas e a velocidade dos carros. Conforme Track Facts da Texas Motor Speedway, as curvas da pista têm um raio de 228,5 metros (750 pés). Durante a prova, os carros completam as voltas a cerca de 370 km/h (230 mph).

Quando um carro contorna uma curva, ele acelera o tempo todo (isso se deve ao fato de que, quando você faz uma curva em seu próprio carro, sente uma força empurrando seu corpo para fora do carro). A aceleração é igual à velocidade do carro elevada ao quadrado e dividida pelo raio da curva:

A = v2 / r

Vamos aos números:

  • 370 km/h é 102,8 m/s2;;
  • (102,8 m/s)2/228,5 m = cerca de 46,2 m/s2;
  • a aceleração decorrente da gravidade (1 G) é igual a 9,8 m/s2 ;
  • 46,2 / 9,8 = 4,71 G - é a isso que os pilotos são submetidos.

Como um carro pode permanecer na pista sob esse tipo de força? Graças às curvas inclinadas.

O Texas Motor Speedway possui curvas com inclinação de 24º. Na realidade, a inclinação não afeta a forma como calculamos a força G sobre os pilotos, mas sem a inclinação o carro nunca conseguiriam contornar essa curva estreita a 370 km/h. Vejamos como a inclinação ajuda.

Se um Champ car tentasse fazer uma curva plana a 370 km/h, ele derraparia direto para fora da pista porque não teria tração suficiente. A tração é proporcional ao peso sobre os pneus (quanto mais pesado, maior a tração). A inclinação de uma curva permite que parte da força G criada na curva aumente o peso sobre os pneus, aumentando a tração. Para calcular que parte da força G aumenta o peso sobre os pneus, multiplique a força G pelo seno do grau da inclinação. No nosso exemplo:

4,71 G x sin24º = 1,92 G

De modo que, com uma inclinação de 24º, o peso adicionado às rodas é de 1,92 G. Além disso, parte da gravidade da Terra, de 1 G, também é somada no peso sobre os pneus: 1 G x cos24º = 0,91 G. Somadas, 2,83 G (ou 2,83 vezes o peso do carro) empurram o carro para baixo durante a curva, ajudando-o a se manter na pista.

A aerodinâmica do carro também cria uma força para "baixo" significativa a 370 km/h. Em um avião, as asas fornecem sustentação no ar. Um Champ car possui defletores de ar (spoilers) que se parecem com asas invertidas, fornecendo o oposto à sustentação no ar: força para baixo. A força para baixo mantém o carro preso à pista, com uma pressão para baixo fornecida pelas asas dianteira e traseira e também pela própria carroceria do carro. O valor da força para baixo é surpreendente - em um carro viajando a 322 km/h (200 mph), essa força pode realmente fazer o carro ficar preso ao teto de um túnel e fazer o carro ficar invertido. Em uma corrida em ruas, a aerodinâmica produz sucção suficiente para realmente levantar as tampas de bueiros - antes das corridas, todas as tampas de bueiros são soldadas para impedir que isso ocorra.

Levando-se em conta a força para baixo e a força G, bem mais do que quatro vezes o peso do carro seguram os pneus na pista quando o carro faz essas curvas inclinadas de 24º a 370 km/h.

Os pilotos sofrem um enorme castigo em uma pista como essa. Esse nível de aceleração é maior do que a maioria das pessoas já experimentou. Mesmo o ônibus espacial desenvolve somente 3 G na decolagem. O mais surpreendente é o tempo que esses pilotos toleram esse tipo de força. O Texas Motor Speedway tem 2,4 km (1,5 milha) de comprimento: a reta frontal tem 686 m (2.250 pés) de comprimento e a reta oposta tem 405 m (1.330 pés) de extensão. A 370 km/h (10,8 m/s), os pilotos demoram cerca de 6,5 segundos para percorrer a reta frontal e então eles enfrentam quase 5 G de força nos 6,5 segundos seguintes, enquanto eles contornam a curva. Demora somente cerca de 4 segundos para percorrer a reta oposta antes da próxima curva e outros 6,5 segundos de quase 5 G. Se a corrida planejada de 966 km (600 milhas) tivesse ocorrido, os pilotos teriam sofrido uma variação de 5 G até quase zero G, cerca de 800 vezes.

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