Edição atual tal como 09h53min de 6 de dezembro de 2013

CROQUI/rascunho HIPERMIDIA EQUIPE: Fábio Santana, Carlos, Eduardo, Diógenes Becker, Sérgio.

Introdução

Atualmente a formula 1 é uma das modalidades esportivas com maior apelo tecnológico. Apesar da competição entre as equipes, há um enorme interesse da indústria de vários setores, uma vez que o uso de seus dispositivos em carros de corrida torna-se um verdadeiro laboratório de testes para inúmeros componentes e inovações. Depois de idealizados com intuito de melhorar a performance dos carros, muitas inovações tecnológicas acabam incorporadas pelos fabricantes em seus produtos, em especial a indústria automobilística. O KERS é um destes dispositivos. Ele poderá viabilizar considerável economia de combustível nos automóveis. Para que você possa entender o seu mecanismo básico de funcionamento, bem como ele poderá ser útil aos automóveis que circulam pelas ruas, será necessário entender alguns conceitos de física. A seguir, teremos uma breve introdução à estes conceitos.

Energia e suas formas

Uma das ideias mais importantes da física é a de Energia. Levou-se um tempo considerável para que esta ideia fosse totalmente entendida. Atualmente as ideias relacionadas com a energia estão bem estabelecidas e pode-se analisar basicamente todos os processos da natureza em termos de transformações de energia.

O primeiro aspecto importante sobre energia que você precisa saber é que a energia (em qualquer quantidade que seja) não pode ser criada nem destruída. Na natureza já existe uma quantidade de energia disponível. O que observamos a nossa volta são mecanismos de transformação de energia, de uma forma em outra. Em outras palavras, as relações entre os sistemas que nos rodeiam podem ser entendidas sob o ponto de vista de trocas de energia.

Outro ponto importante é que a energia se apresenta sob diferentes formas. De maneira direta, podemos dizer que não é essencialmente importante dar uma definição para energia. O mais importante é entender como ocorrem as transformações de energia, ou seja, as mudanças de energia de uma forma para outra. Pense a respeito da seguinte questão: por que precisamos nos alimentar todos os dias? Dizemos que os alimentos nos mantêm vivos, mas afinal, que uso nosso organismo faz dos alimentos? Vejamos algumas situações:

1. Para que sejamos capazes de realizar várias tarefas em nosso dia-a-dia, nosso corpo necessita de energia. Quando caminhamos, usamos nossa musculatura para produzir movimento. Dizemos que o movimento é uma forma de manifestar energia; quando um corpo está em movimento, manifesta energia cinética;
2. Todos os músculos de nosso corpo recebem estímulos elétricos oriundos do sistema nervoso para que possam produzir os movimentos. Podemos entender estes estímulos elétricos como a manifestação de outra forma de energia, a saber, do tipo energia elétrica;
3. Quando realizamos atividades que demandam movimentos, nosso corpo aquece e para manter a temperatura corpórea liberarmos calor para o ambiente. O calor é outra manifestação de energia, denominada energia calorífica, energia térmica ou simplesmente calor;

Somente somos capazes de manifestar energia cinética (movimentos), energia elétrica (estímulos nervosos) e calor devido ao fato de haver energia disponível em nosso corpo. Esta disponibilidade decorre dos alimentos que ingerimos. Os alimentos constituem uma forma de manifestação de energia do tipo energia química. O organismo humano pode ser interpretado como um agente transformador de energia.

Esta interpretação pode ser aplicada a praticamente todas as coisas que nos cercam. Todos os objetos interagem uns com os outros através de trocas de energia. Ao receber energia, o agente transformador a acumula ou a transforma em outra modalidade de energia.

Agora vamos fazer uma análise das modalidades de energia e as transformações envolvidas no movimento de um carro. Não buscamos aqui uma análise em profundidade, mas apenas mostrar através de conceitos simples, como podemos entender o mecanismo básico de funcionamento do KERS.

Quando colocamos combustível no tanque de um carro, estamos disponibilizando energia na forma química. Quando o motor consome o combustível, a energia química por ele armazenada é transformada em outras formas de energia pelo motor do carro. Dizemos que o motor é um agente transformador. A energia extraída do combustível será transformada basicamente nas seguintes formas de energia:

1. como o carro adquire movimento, ele manifesta energia cinética;
2. como ouvimos o som do motor, uma parcela de energia é transformada em energia sonora;
3. o motor aquece, revelando que uma fração da energia química do combustível será transformada em calor;

Como podemos ver, a partir da energia química do combustível, são produzidas pelo motor várias formas de energia. No entanto, como o objetivo maior de um carro é se locomover, devemos considerar que as outras formas de energia produzidas além da energia cinética são indesejadas. Um motor é tanto mais eficiente quanto menor for a quantidade de energia dissipada, ou seja, quanto menor for a produção de energia indesejada.

Agora você pode considerar, por exemplo, o que ocorre quando acionamos o ar-condicionado de um carro em movimento. Certamente será necessária que alguma quantidade de energia oriunda da energia química do combustível deixe de ser transformada em energia cinética para alimentar o mecanismo responsável pelo funcionamento do ar-condicionado, o que diminui o desempenho do veículo.

De posse destas informações, podemos dar uma outra interpretação para os freios do carro. Quando um veículo está em movimento, manifesta energia cinética. Para parar o veículo será necessário que esta energia cinética seja transformada em outra modalidade de energia. Quando os freios são acionados, eles produzem basicamente calor. Podemos interpretar que o papel dos freios é transformar a energia cinética do carro em energia térmica. Assim o carro pode parar, pois ao perder sua energia cinética, perde também o seu movimento (a medida que o calor vai sendo gerado no sistema de freios, o carro vai perdendo velocidade).

Todos concordamos que sem o sistema de freios os carros seriam muito perigosos. No entanto, há um outro ponto de vista: quando um carro é posto em movimento ocorre gasto de combustível e certamente esta energia extraída do combustível que se transformou em energia de movimento será inevitavelmente transformada em calor quando o carro voltar ao repouso. Quando o carro for posto novamente em movimento, será necessário mais combustível. Inevitavelmente, em algum momento posterior o veículo atingirá novamente o repouso, transformado mais uma vez aquela energia em calor.

Para evitar este tremendo desperdício de energia, poderíamos pensar numa maneira de armazenar a energia cinética do carro, ao invés de transformá-la em calor. Esse é o princípio de funcionamento do KERS. Trata-se é um dispositivo que transforma parte da energia de movimento em energia elétrica, ao invés de calor, quando os freios são acionados. Assim os freios acabam produzindo menos calor. A vantagem decorre do fato de que a energia elétrica armazenada pelo KERS pode ser reaproveitada para colocar o carro novamente em movimento, exigindo assim menos combustível.

KERS: Sistema de Recuperação de Energia Cinética

Em inglês: Kinetic Energy Recovery Systems - KERS - Sistema de frenagem/travagem usado no mundo do automobilismo, que recupera uma parte da energia cinética gerada pela desaceleração, ao invés de se perder na forma de calor ou outras dissipações de energia.

Apesar de possuir uma designação acerca da palavra sistema, o KERS é na verdade um conceito. Diferentes sistemas podem ser usados para cumprir o objetivo do KERS, que é acumular energia gerada nas frenagens, que seria "desperdiçada", para ser (re)utilizada como propulsão novamente. Os sistemas KERS se apoiam em conceitos de diversas áreas do conhecimento que envolvem tecnologia, mas essencialmente pelo próprio conceito de reaproveitamento de energia, podemos usar a física na tentativa de detalhar e esclarecer o funcionamento desse tipo de equipamento.

Calor na frenagem:

Quando trazemos o assunto KERS, surgem várias questões relevantes sobre o tema, e dentre essas destacaremos uma interpretação errônea que assombra o conhecimento sobre o funcionamento do KERS. Dê onde surge a energia utilizada pelo sistema?

Como aprendemos, a energia total de um sistema se conserva, a energia não surge, ela se transforma. Logo, uma pergunta pertinente poderia ser, qual o tipo de energia que se transformou na energia utilizada pelo KERS? Talvez exista uma falsa impressão de que a energia aproveitada pelo KERS é provida diretamente pelo calor gerado pelo sistema de freios durante a frenagem. Verdadeiramente existe essa co-relação entre as duas modalidades de energia, todavia, devemos considerar algo muito importante, utilizando o KERS, esse calor não é gerado.

Afirmar que: “a energia armazenada nas baterias do KERS provém diretamente do aquecimento do sistema de freio do veículo”, como infelizmente fazem alguns repórteres televisivos, está ERRADO. Vamos trabalhar agora considerando um tipo específico de sistema de recuperação denominado KERS Elétrico. A energia armazenada nas baterias que "alimentam" o KERS provém de um gerador eletromagnético que é acoplado ao sistema de tração do veículo (utilizando como referência o KERS Elétrico da F1). Quando esse gerador é acionado, o "arrasto" inerente aos geradores elétricos passa a atuar como freio do veículo, lógica e oportunamente quando o condutor aciona o freio. Além do sistema de recuperação elétrico, existem outros, como o tipo mecânico e ainda um sistema híbrido (detalhes nos vídeos). Anteriormente colocamos a palavra "arrasto", que atua num gerador eletromagnético, vamos a uma explicação mais detalhada. Os geradores são equipamentos "parecidos" com os motores elétricos que todos temos em casa, simplificadamente, funcionado de maneira contrária, transformando energia cinética em energia elétrica. Nesse gerador, durante a transformação de energia cinética em energia elétrica, se impele certo arrasto mecânico (resistência ao movimento) ao eixo de rotação do motor. Justamente para "vencer" esse arrasto precisamos de “grande força” para gerar energia elétrica, como na usina hidrelétrica com a queda d’água ou na usina nuclear com o vapor da caldeira.

Tipos de KERS:

KERS como parte do sistema de FREIO:

Ainda se tratando do sistema KERS utilizado nos veículos de F1, podemos finalmente concluir, que arrasto do gerador no KERS atua como parte do sistema de freio. Este esforço do KERS em parar o veículo atua em conjunto com sistema tradicional de freios do carro. O sistema tradicional de freios é então “aliviado”, pois agora possui um “ajudante”. Quando o KERS é acionado durante a fase de frenagem (para carregar as baterias), o disco de freio, pelo menos teoricamente, não aquece tanto como quando ele trabalhava sem auxílio do KERS. O alívio nos discos de freio, são apenas na roda traseira, ao qual o eixo do gerador do KERS está ligado. Os discos dianteiros continuam trabalhando “sozinhos”. E vale lembrar que muitas vezes e distribuição de freios num F1 é deslocada para frente. Assim, devemos considerar que devido a altíssima eficiência do sistema de freios tradicional de um carro de F1, a contribuição do KERS para a frenagem é pequena. Essa contribuição, é considerável, quando se trata de veículos de rua, onde o sistema de freios são mais fracos que nos F1.

KERS como parte do sistema de PROPULSÃO:

Acabamos de perceber, que o KERS faz com que o veículo tenha freios "regenerativos". A energia armazenada, será agora utilizada para movimentar o veículo. Note que em determinada etapa do processo, essa mesma energia armazenada era do tipo cinética, e novamente volta a ser energia cinética (energia de movimento). Agora, sendo esclarecido como se dá o carregamento das baterias, vamos à outra parte, utilizar o KERS para aumentar a potência do motor e conseqüentemente a velocidade do F1. Com toda a bagagem das leituras dos tópicos anteriores, essa etapa se torna mais simples. Atualmente é relativamente fácil produzir um gerador que simultaneamente atue como motor elétrico. Isso mesmo, o próprio gerador do KERS, aquele acoplado ao sistema de tração, utiliza a energia que foi armazenada na bateria para aumentar a potência do carro. Tornando-se literalmente um motor extra que o piloto aciona quando deseja fazer uma ultrapassagem. Nesse dado momento o F1 transforma-se no que a indústria automobilística chama de carro híbrido. Movido por dois motores, um a combustão e outro elétrico. Uma diferença para os carros comuns de passeio híbridos, está no fato de geralmente o motor elétrico ser carregado na “tomada”, enquanto no F1, ou veículos que possuem KERS, a bateria é carregada durante a frenagem. O motor/gerador do F1 aumenta, segundo algumas equipes da temporada 2013, em torno de 80 cv a potência do conjunto. Por fim de comparação é como se o piloto apertasse no botão e tivesse a ajuda de um motor de carro 1.0L. O motor a combustão de um F1, gera sozinho, uma potência maior que 650cv.

Assista o vídeo a partir do link abaixo.

Após ter assistido ao vídeo, que mostra resumidamente o posicionamento dos dispositivos que compõe o KERS elétrico em um veículo de F1, você e seu grupo deverão realizar uma discussão em torno das seguintes questões:

1. Dê onde "surge" a energia que carrega a bateria?
2. O módulo elétrico (gerador) é acionado em que momento?
3. Qual a finalidade da energia armazenada na bateria?
4. Mesmo com o KERS instalado, esse veículo é denominado híbrido, explique.

Conclusões:

Perceba na parte final do vídeo que para dar espaço aos dispositivos utilizados pelo KERS, o volume do tanque de combustível do veículo diminui. Mesmo com um tanque menor, o veículo alcança a mesma autonomia, o KERS compensa (regenera) a energia utilizada pelo motor á combustão para mover o veículo.

1. É crescente a instalação de veículos com KERS em carros de passeio, você concorda com essa implantação?
2. O KERS traz apenas "vantagens" para o veículo, qual seria a principal desvantagem?
3. Qual o sistema que você colocaria em seu veículo, o mecânico ou o elétrico, explique sua escolha?
4. Como o desenvolvimento de baterias mais eficientes afetarão o KERS?

Mais sobre a física na F1, acesse: [1]