Com 5g no precipício: Tecnologia de medição HBM na fórmula 1 dos esportes de inverno

Forças agindo em um trenó de competição ("bobsleigh") em um canal de gelo em Berchtesgaden Königssee, Alemanha, foram sistematicamente medidas por pesquisadores da Universidade Técnica de Munique. Strain gages colocados no chassi e nos patins ofereceram um primeiro olhar sobre as condições de força durante uma corrida de trenós através de um canal de gelo. O conhecimento adquirido há de fazer mais fácil o caminho até uma otimização sistemática dos patins dos trenós.

Até hoje, os patins para os trenós de competição têm sido desenvolvidos e produzidos exclusivamente com base em informações empíricas. A grande experiência do piloto e do treinador, junto com testes realizados ao longo dos anos, constituem a garantia de boas colocações em competições internacionais. Condições de treinamento de difícil reprodução e mudanças no tempo e na pista dificultam a comparação direta de diferentes geometrias e materiais dos patins. Entretando, resultados de medição verificados são a base para se especificar a influência das características dos patins e indispensáveis como dados de entrada para cálculos FEM. Ademais, eles possibilitam a determinação das forças que agem no chassi e nos patins, o que proporciona uma descrição precisa da relação entre os patins e o gelo. O conhecimento do local e do nível de penetração dos patins na camada de gelo podem ajudar na otimização dos processo de deslizamento.

Com MGCplus e catman® na corrida de trenós

Altas cargas mecânicas, medição simultânea de 48 sinais de sensores com uma taxa de amostragem >2,000 Hz, acelerações de até 5g, baixa temperatura e funcionamento da bateria, além das menores dimensões possíveis: tudo isso faz do MGCplus o parceiro perfeito na canal de gelo. As deformações nos patins, a carga total em cada um deles, bem como as acelerações neles e no chassi são medidas. No que diz respeito às medições das deformações nos patins, dois destes podem ser medidos simultaneamente, considerando que, com o uso do MGCplus, 48 canais de medição estão disponíveis.

O uso de sensores capacitivos para medições adicionais de aceleração foi possível através de uma simples troca de racks no local. Strain gages lineares foram usados para determinar a deflexão axial. Rosetas extensométricas foram colocadas nos patins para a medição das tensões principais e suas direções.

As corridas para medição

No total foram executadas 21 corridas de prova para medição no canal de gelo junto ao Königssee, com a equipe bávara de trenó de competição formada por Karl Angerer, Christoph Gaisreiter e Katrin Dostthaler. Um volume de dados de 43 MB por medição foi gravado, calculado à uma amplitude de sinal de 32 bit, uma frequência de medição de 2.400 Hz em 48 canais individuais e uma duração de gravação de 100 segundos.
Os dados de medição gerados foram armezanados no MGCplus em um cartão "Compactflash" de armazenamento. Depois foram lidos e processados em um notebook com o software catman®.
Nas corridas para medição realizadas em um trenó de competição de dois lugares, o sistema de aquisição de dados foi posicionado entre o piloto e o responsável pela frenagem. Uma atenção especial foi dada à instalação, com a intenção de garantir a segurança dos membros da equipe de competição. O aterramento do MGCplus foi realizado via chassi e patins do trenó.

Resultados de medição

Considerando que a otimização da geometria dos patins somente é possível quando são conhecidas a carga, o local, o momento e a posição do trenó, todos os resultados de medição precisam ser relacionados com as propriedades geométricas e de construção do canal de gelo. Isso foi implementado através  do assinalamento dos resultados de medição usando um mapa de eventos desenvolvido para as pistas dos trenós de competição. A figura 5 (veja o arquivo PDF) mostra um diagrama esquemático da pista em combinação com a carga axial gravada de um trenó de duas pessoas. Os vários eventos no canal de gelo podem ser claramente reconhecidos no diagrama como sinais de sensores.

Devido à ação de forças centrípetas no trenó, a deflexão axial e o sinal adquirido do sensor elevam-se ao quadrado, com velocidade crescente e, linearmente, com raio descrescente da pista.

Na última curva íngreme, a parede de eco, a força agindo no piloto e no time eleva-se para cinco vezes em relação ao peso dos seus corpos. Neste ponto o trenó é submetido ao stress máximo.

Classificação das cargas

Para a exata relação das cargas com os lugares correspondentes no canal de gelo, o sinal desempenha um papel decisivo: através deste a posição do trenó é determinada com exatidão. Isso pode ser implementado ao se integrar a velocidade sobre o tempo. A velocidade pode ser determinada pela comparação dos sinais axiais: as deflexões do eixo dianteiro se repetiram, após um pequeno espaço de tempo, no eixo traseiro. A velocidade média pôde ser obtida porque a distância do eixo do trenó era conhecida.

Trenó de competição e tecnologia de medição no futuro

Maior competitividade e equipamentos cada vez mais velozes exigem procedimentos sistemáticos em todos os desenvolvimentos futuros neste esporte de inverno. A tecnologia de medição desempenha aqui uma peça chave, pois ela oferece informações sobre as forças emergentes e pode ser usada como base para verificação de simulações.

Baseado nos resultados de medição gravados no canal de gelo em Berchtesgaden, um modelo FEM, que permite a simulação dos processos medidos, foi criado no Instituto Central para Técnica Médica da Universidade Técnica de Munique.

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