A Ciência da Velocidade – Quanto rápido podemos ir?

Publicado em 26/08/2015 00:00
A Ciência da Velocidade – Quanto rápido podemos ir?

 

A Ciência da Velocidade – Quanto rápido podemos ir?
 

Em junho passado, o site www.boards.co.uk focou bastante no tema velocidade, e através do forum de discussão, o leitor Rick Hanke entrou em contato para explicar um pouco mais sobre a ciência das forças envolvidas e qual a velocidade máxima possível de se alcançar num windsurf.

Para os interessados, segue a explicação completa sobre qual o limite da velocidade e porquê...

 

Antoine Albeau

 

Texto original de Rick Hanke.

Performance velejando

Para calcular a performance de um veleiro, windsurf  ou mesmo de um kitesurf, precisamos olhar e entender as forças atuantes e momentos resultantes, e encontrar as condições onde todas as forças e momentos estão em equilíbrio (Lei de Newton). Esta condição é denominada estado de equilíbrio do sistema e nos permite identificar a velocidade.

Forças

Os princípios básicos de aerodinamica e hidrodinamica, nos permitem calcular as forças e momentos atuantes em condições de vento, que são bastante conhecidas por teoria e testes praticos, em embarcações a vela e iates no passar dos ultimos anos.

Olhando num sistema “Windusrf”, temos uma força aerodinâmica gerada na vela e que cria um momento que é balanceado e equilibrado pelo peso do velejador (Fig. 1). A força total da vela é transferida pelos pés do velejador à prancha. A força total gerada pela vela pode ser dividida em duas partes, a primeira delas direcionada para a mesma direção do velejo (curso) = força de direção ou empuxo da vela. A segunda força atuante é perpendicular ao empuxo, é a força lateral e que precisa ser equilibrada pela quilha. Em contra partida, existe a força de resistência hidrodinâmica da prancha e da quilha, que trabalham em oposição ao empuxo. Quando ambas estão iguais e em equilíbrio, a velocidade máxima é alcançada (Fig. 2).

 

Fig. 1: Força máxima da vela compensada pelo momento de equilíbrio gerado

 

Fig. 2: Forças atuantes num windsurf, vista lateral

 

Fig. 3: Forças e definição de ângulos num windsurf, vistos de topo

 

Limitações da força da vela

Devido ao peso do velejador

Uma conclusão importante é que a força máxima da vela é absolutamente limitada pelo peso do velejador, que produz o momento de equilíbrio ao pender para fora da prancha em direção contraria ao vento.

Considerando as geometrias típicas do corpo humano, chega-se a conclusão de que a força máxima que uma vela pode atuar é aproximadamente 35-40% do peso de um velejador.

Isto significa dizer que sob quaisquer condições de velocidade, força de vento e tamanho de vela, a força máxima da vela nunca poderia ser superior a este percentual. É simplesmente uma constante. Acima disto, catapulta certa.

Devido ao ângulo do vento aparente 

É bastante conhecido que velejando num curso específico e com uma condição dada de vento, que o ângulo do vento aparente reduzirá quanto maior for a velocidade alcançada (Fig. 4). Este efeito pode ser amenizado até um certo limite aumentando o ângulo do curso (velejando arribado) e velejando em condições de vento mais forte, o que irá aumentar o ângulo do vento aparente a uma velocidade dada.

 

Fig. 4: Ângulo do vento aparente x Velocidade e curso

 

O componente da força da vela na direção de velejo (empuxo) depende diretamente do ângulo do vento aparente.

O ângulo do vento aparente é um função entre velocidade (Vs), velocidade do vento (Vt) e ângulo de curso.

Esta é a razão pela qual para altas velocidades, necessita-se de muito vento. Quanto mais forte o vento, maior será o ângulo do vento aparente e maior o empuxo. Mas a redução do empuxo em função da velocidade é um efeito físico inevitável, que não pode ser alterado e é valido para toda e qualquer embarcação a vela movida pela força do vento, seja na água, terra, neve ou gelo.

O empuxo e a força lateral versus velocidade, para uma força de vela constante é mostrado na Fig. 5. O empuxo reduz com a velocidade enquanto que a força lateral aumenta com a velocidade.

 

Fig. 5: Empuxo e força lateral x Velocidade num curso dado com força da vela constante

 

Resistencia hidrodinâmica (atrito) da prancha

Planar possui um comportamento de arraste (atrito) quase que constante em relação a velocidade. Atrito no planeio é primeiramente diretamente proporcional ao peso total do sistema windsurf (equipamento completo + velejador) e do ângulo de ataque da prancha, independente da velocidade e da área molhada (área em contato com a água). Em segundo lugar, devemos somar algum atrito e resistência do spray proporcional à área molhada, que por sua vez é proporcional ao quadrado da velocidade. Devido ao fato que com o aumento da velocidade a prancha se eleva, a área molhada automaticamente se reduz, de maneira que somente o peso total é equilibrado. Através deste efeito, o mínimo atrito é automaticamente gerado a qualquer momento e em qualquer condição.

A velocidade máxima é alcançada quando o empuxo da vela e o arraste da prancha são iguais. Isto ocorre na interseção de ambas curvas conforme observado na Fig. 6. A figura deixa evidente que velocidades maiores são possíveis quando o empuxo é aumentado (curva inclinada para cima) e o arraste (atrito) é reduzido (curva inclinada para baixo). A diferença entre o empuxo e a força de arraste divididos pela massa do sistema representa a aceleração que é naturalmente 0 (zero) quando a velocidade máxima constante é alcançada. Mais adiante é demonstrado que a aprox.. 66 nós o empuxo torna-se 0 (zero).

 

Fig. 6: Empuxo Aerodinamico e arraste hidrodinamico x Velocidade num curso de 140º e força da vela constante

 

Como resultado, a velocidade do velejo é inicialmente limitada pela limitação da força total da vela em função inicialmente do peso do velejador e em segundo plano pelo ângulo do vento aparente (função da velocidade, força do vento e curso), que reduz o empuxo em velocidades crescentes.

Tudo isto poderia ser calculado relativamente fácil e descobre-se que o recorde atual de aprox. 52 nós é o que pode ser alcançado considerando-se peso típico de velejadores, tamanho de vela e quilha e condições de vento.

A Fig. 7 mostra o cálculo de quanto rápido podemos seguir (Vs) x velocidade do vento (Vt) considerando curso de 140º downwind.

 

Fig. 7: Velocidade máxima possível em função de velocidade do vento 40 nós e curso de 140º.

 

Caso existam incertezas em função de dados estimados, as tendências e relações se mostram validas e nos permitem chegar às conclusões corretas.

Percebe-se que a velocidade relativa ao vento possui um fator 2 para ventos fracos mas próximo a 1 a aprox. 50 nós. Isto significa que para seguir realmente rápido, muito mais força de vento é necessária. O gradiente torna-se muito fraco, de maneira que não existe muita velocidade mais para se alcançar.

Por exemplo, para alcançar velocidade de 60 nós, 60 nós de vento serão necessários.

Onde podem ser encontradas estas condições de vento com águas lisas?

Quem consegue controlar um equipamento nestas condições?

Aumento na velocidade do vento irá sempre gerar mais ondulações que produzirão arraste adicional.

Como podemos ir mais rápido?

Se olharmos nos na distribuição dos components do arraste de um windsurf a aprox. 52 nós, como demonstrado na Fig. 8 poderemos estimar quanto de velocidade seria obtida se conseguíssemos reduzir o atrito em alguns componentes.

 

Fig. 8: Distribuição do percentual de arraste num windsurf a 52 nós

 

Por sinal, reduzindo o arraste de uma quilha em 10%, teremos uma redução total no arraste de aprox. 1,1%.

Redução de 1,1% no arraste significa melhora de 0,5 % na velocidade. Ou seja, teríamos 52,26 nós, ao invés de 52.

Se conseguíssemos reduzir o arraste gerado pelo nosso corpo em 50%, teríamos uma redução no arraste total de 5,5%.

Em velocidade ganharíamos 0,26%, que corresponderia a 53,4 nós ao invés de 52.

Somente uma pequena fração de melhorias pode ser obtida nas pranchas de windsurf atuais, evitando todas as arestas que possam gerar turbulência, na vela, nas retrancas, cabos (puxão) e no próprio corpo do velejador.

Na prancha, o arraste gerado pelo spray poderia ser reduzido através de mudanças nas linhas das bordas e outras linhas e cantos.

Mas no geral, grandes avanços e melhorias não são possíveis.

A influência do peso do corpo

O peso do corpo do velejador define o empuxo possível. Quanto maior o peso, maior o empuxo, mas por outro lado, quanto maior o peso, maior o arraste da prancha que precisa “levantar” o peso adicional para planar. E ainda assim esta relação de peso maior implica em arraste maior. Como resultado, pode ser calculado que 10 Kg a mais de peso levam a 2 nós a mais de velocidade.

O sonho de Antoine Albeau velejando a 50 nós de velocidade com vento de 30 nós, significa dizer que ele precisará engordar 100 Kg e usar uma vela de 8.0 m².

Logicamente, inviável…

Porém, podemos velejar mais rápido quando deixamos a configuração do windsurf e partimos para a adotada pelo projeto Sailrocket II, onde o momento de equilíbrio não é obtido pelo velejador, mas sim totalmente pelo casco (foil hidrodinâmico) e aerodinâmico (asa horizontal), de maneira que a força da vela poderia ser aumentada a valores muito elevados sem problemas de estabilidade.

Solução similar (Fig. 9) poderia ser implantada ao windsurf com um estabilizador lateral ou um foil abaixo da água, com o objetivo de gerar um momento que possa compensar parcialmente o momento de equilíbrio. Neste caso muito mais empuxo poderia ser aplicado e velocidades finais maiores poderiam ser obtidas.

 

Fig. 9: Meios para compensar o momento de equilíbrio em maiores velocidades

E os hydrofoils?

A esperança no uso dos hydrofoils com objetivo de alcançar maiores velocidades não é muito realista.

Com a utilização do hidrofolio, o arraste aumenta na razão do quadrado da velocidade. Esta é uma grande desvantagem se comparado com uma superfície de planeio, onde o arraste é quase independente da velocidade. Este efeito limita a aplicação de foils para alta velocidade em windsurfe, mesmo que construído bastante pequeno. Para altas velocidades, a área e superfície do foil deve ser otimizada para o arraste (atrito) para a velocidade requerida, por exemplo para velocidade de 50 nós, precisaremos de um foil de aprox. 100cm² de área. Mas como fazer subir e planar com uma área tão pequena em baixas velocidades? Além do mais, a estrutura para o foil deve ser realmente rígida para garantir a estabilidade necessária e esta estrutura irá também gerar muito atrito.

Controlar um hidrofolio é muito difícil, especialmente manter a altitude, que normalmente requer um dispositivo automático que mantém a altitude constante e evita que a prancha toque na água.

Finalizando, é muito difícil velejar em águas muito agitadas

Quem é capacitado para equilibrar um instável hidrofolio acima de 50 nós?

Como resultante para as pranchas de de windsurf atuais, muita velocidade mais não pode ser alcançada devido às limitações físicas mencionadas acima. Somente pequenas melhorias na velocidade em melhores condições de velejo seriam possíveis: Mais vento e água mais lisa.

Quem as encontrar e as velejar será o detentor do novo recorde mundial.

Tudo que foi mencionado acima se aplica também ao kite. Um kite pode suportar muito mais força porque os componentes do momento de equilíbrio são diferentes, por outro lado a eficiência aerodinâmica do kite é pior (mais arraste) que uma vela de windsurfe.

Esta é a razão pela qual o recorde de velocidade do kite é somente um pouco maior que o do windsurf.


Fonte: http://boards.co.uk/how-to/how-fast-can-we-go-the-science-of-speed.html#J4udYRAsJxL2eL0v.99

 

Obrigado ao Marco Deboni pelo envio do link e sugestão da matéria.

 

Bons ventos a todos,

 

Carlos Jürgens

  

 

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