ARTIGO ORIGINAL
BRANDÃO, Luiz Felipe Silva [1]
BRANDÃO, Luiz Felipe Silva. Avaliação dos níveis de vibração em um piloto profissional de kart. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 09, Ed. 10, Vol. 01, pp. 05-20. Outubro de 2024. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-mecanica/niveis-de-vibracao, DOI: 10.32749/nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-mecanica/niveis-de-vibracao
Este estudo tem como objetivo avaliar experimentalmente os níveis de Vibrações de Corpo Inteiro (VCI) a que um piloto de kart está exposto, considerando um kart profissional homologado pela Federação Internacional de Automobilismo (FIA). As amostras foram coletadas no Kartódromo Regional de Hamilton, localizado em Ontário (Canadá), por meio de um medidor de vibrações triaxial. Após isso, uma análise será feita comparando os níveis aceitáveis de exposição recomendados pela Norma ISO 2631, assim como as possíveis implicações que o excesso de vibração pode acarretar à saúde, conforto e performance de um piloto.
Palavras-chave: Vibração de Corpo Inteiro, Kart Profissional, Piloto, Saúde, ISO 2631.
A exposição à VCI vai além do desconforto, é variável causadora de problemas de saúde ocupacional (Griffin, 2006). Fator este que se tornou mais relevantes estudos relacionados às vibrações voltadas à saúde de motoristas após a revolução industrial.
A avaliação dos níveis vibracionais sobre os condutores é imperativo para contribuir no desenvolvimento de tecnologias que auxiliam tanto na melhora das tarefas quanto no espaço físico de trabalho destes pilotos. Esta melhora no ambiente de trabalho reduz o número de lesões e doenças nos condutores, e consequentemente, melhora a qualidade do transporte.
Mesmo que a vibração não cause problemas de saúde se, usadas por longos períodos, pode ser uma fonte de desconforto e desatenção, motivo o qual este trabalho dedicou a analisar os dados referentes à aceleração resultante de exposição normalizada e o valor da dose de vibração resultante atuante na interface Assento-Condutor (Piloto).
O estudo em questão considerou a análise em um Kart de corrida profissional. Vale destacar que os últimos multi campeões da Fórmula 1, Ayrton Senna, Michael Schumacher, Lewis Hamilton, Max Verstappen cresceram e se dedicaram às corridas de kart por um longo período. Esta é uma indicação clara de que o kart pode realmente proporcionar uma experiência real e desafiadora, intimamente ligado ao que existe na Fórmula 1 e provavelmente a outros esportes automotivos.
O estudo da vibração relacionada ao corpo humano é dividido em duas áreas: a Vibração de Corpo Inteiro (VCI) – ISO 2631, que será o foco deste trabalho; e a Vibração Localizada– ISO 5349.Essas normas não definem claramente os limites de tolerância como ocorre para o ruído, por exemplo.
É fato importante e relevante para a medição dos níveis vibracionais uma vez que é necessário definir os eixos de entrada das vibrações no sistema corpo inteiro e antecipar a localização do acelerômetro no assento.
Para o sistema de direção a Norma ISO 2631: 1997 descreve um sistema de três dimensões, como demonstrado pela Fig. (1), então, três eixos de medição identificados como x, y e z são utilizados para tratar da VCI. Estes mesmos eixos são mantidos considerando as posições sentada, em pé ou deitada (Beer e Johnston, 1982).
Na Fig. (1), independentemente da avaliação a ser realizada ao nível do assento, o eixo x é sempre aquele que atravessa o corpo do condutor das suas costas para a sua frente. O eixo y atravessa o corpo lateralmente (da sua direita para a esquerda). Finalmente, o eixo z atravessa verticalmente o corpo do condutor no sentido dos pés à cabeça.
Figura 1– Eixos para Medição da Vibração de Corpo Inteiro
Em 1974 a ISO 2631 foi publicada objetivando limites de exposição quanto à vibração no corpo humano relacionado ao conforto e à saúde do ser humano. Em 1985 ocorreu sua primeira grande reformulação, onde uma avaliação da exposição à vibração do corpo inteiro no eixo “z” foi definida na faixa de frequência entre 0,1 e 0,63Hz.
Já em 1997 a ISO 2631 apresentou os valores de aceleração rms (root mean square) ponderada a qual indica a reação dos indivíduos em relação conforto quando expostos a VCI, o qual será utilizado como referência neste trabalho. Os valores da Tab. (1) apresentam indicações aproximadas de prováveis reações das pessoas expostas às VCI.
Tabela 1 – Referências para faixas de indicação das reações com relação ao conforto no corpo humano
| Aceleração (m/s²) | Reações com Relação ao Conforto |
| < 0,315 | Confortável |
| 0,315 a 0,63 | Pouco Desconfortável |
| 0,5 a 1,0 | Razoavelmente Desconfortável |
| 0,8 a 1,6 | Desconfortável |
| 1,25 a 2,5 | Muito Desconfortável |
| > 2,5 | Extremamente Desconfortável |
Fonte: ISO 2631, 1997.
A ISO 2631 estabelece procedimentos e critérios para a avaliação da exposição ocupacional a VCI tendo como principal foco a prevenção e o controle dos riscos. Nela são apresentados elementos para análise preliminar e o enquadramento das situações abordadas, tendo as avaliações quantitativas realizadas somente quando há incerteza com relação à aceitabilidade das situações de exposição analisadas.
De acordo com a ISO 2631, a avaliação da exposição ocupacional à vibração de corpo inteiro deverá ser feita utilizando-se de sistemas de medição que permitam a determinação da aceleração resultante de exposição normalizada(aren) e do valor da dose de vibração resultante (VDVR), parâmetros estes representativos da exposição diária do piloto.
A aceleração resultante de exposição normalizada(aren) é determinada pela Eq. (1), 𝑎𝑟𝑒𝑛
Sendo: are = aceleração resultante de exposição;
T = Tempo de duração da jornada diária de trabalho expresso em horas ou minutos; To = 8 horas ou 480 minutos.
O valor de dose de vibração resultante (VDVR) corresponde ao valor de dose de vibração representativo da exposição ocupacional diária, considerando a resultante dos três eixos de medição, sendo obtido através da Eq. (2).
Sendo:
VDVexpj=valor da dose da vibração, representativo da exposição ocupacional diária no eixo “j”, sendo “j” igual a “x”,”y”, ou “z”.
Quando comparada a ISO 2631 a outras normas internacionais, como o caso da Diretiva Européia 2002/44/EC, verifica-se que na norma ISO 2631 os limites de exposição são mais restritos, Tab. (2). Como valores de referências a ISO 2631:
1997, adota-se o valor dose de vibração como sendo o maior valor de dose da vibração obtido entre os três eixos ortogonais.
Tabela 2 – Limites de Ação e Exposição em termos da Dose de Vibração e Exposição Diária
| Classificação da Vibração de Corpo Inteiro segundo: | Limite de ação [m/s2] | Limite de Exposição [m/s2] | Valor de Dose da Vibração Resultante -Limite de Ação [m/s1,75] | Valor de Dose da Vibração Resultante -Limite de Exposição [m/s1,75] |
| ISO 2631 | 0,5 | 1,1 | 9,1 | 21,0 |
Fonte: ISO 2631, 1997.
A vibração é propriedade substancial em diversos componentes de automóveis de competições durante seu funcionamento. Essas vibrações são transmitidas ao piloto, resultando plausíveis consequências fisiológicas. Inicial, às vibrações localizadas transmitidas pelo volante podem interferir na função da parte superior do corpo, predispondo os músculos a cãibras, promovendo a fadiga muscular e causando sintomas osteo ligamentares ou distúrbios nervosos nas mãos e braços (Masmejean, Chavane, Issermann, 1999). Em segundo lugar, sabe-se que a vibração de corpo inteiro estimula aumentos reflexos na frequência cardíaca, débito cardíaco, consumo de oxigênio e ventilação minuto de adultos saudáveis (Hood et al., 1966).
Em um estudo realizado por (Azizan e Fard, 2014), cada uma dessas alterações cardiopulmonares foi documentada em pilotos profissionais em condições reais de corrida. É possível que essas respostas, pelo menos em parte, sejam mediadas por Mecano reflexos induzidos por vibração. No entanto, o referido estudo constatou em laboratório que a vibração promove a fadiga mental em motoristas, diminuindo o estado de alerta mental e predispondo os motoristas à sonolência.
O estresse físico é um grande desafio no automobilismo. Os atletas pilotos devem superar as demandas físicas de controle do carro, carga gravitacional e vibração mecânica. Essas tarefas requerem trabalho sustentado pelos principais grupos musculares do tronco e dos membros que aumentam o consumo de oxigênio em todo o corpo e a demanda cardiovascular. Com o tempo, esse esforço predispõe os motoristas à fadiga, o que pode prejudicar o desempenho e a segurança. (Altamann, Benbow e Bouchard 2011).
Os instrumentos portáteis dedicados à vibração humana começaram a ser comercializados no início dos anos 80, com uma resposta à vibração humana. Os primeiros medidores analógicos analisavam um sinal de cada vez, correspondente aos três eixos x, y e z, sendo os resultados visualizados em um simples mostrador numérico. Recentemente, os equipamentos são projetados e configurados corretamente para medir e avaliar a vibração no local de trabalho real (Ximenes, 2006).
A intensidade da vibração será medida na interface do condutor com o assento, utilizando uma almofada especial de aproximadamente 200 g (Fig. 2)
Figura 2 –Almofada de Medição para o Assento do Banco
O equipamento a ser utilizado neste trabalho para aferir as vibrações é o VB300, fabricado pela Extech. Este aparelho é um registrador de dados em força g que grava e cronometra leituras de choque e vibração em 3 eixos, com faixa de medição de ±18 g.
Este dispositivo registrará a força g de 3 eixos e picos relacionados para fornecer um histórico de condições de choque e vibração. Além disso, este aparelho possui uma base de montagem magnetizada/aparafusada, bateria de lítio de 3,6 V e software de análise compatível com Windows.
Figura 3 – VB300 – Aparelho Medidor de Vibração
Para a realização deste trabalho, serão necessários alguns componentes: CD de instalação e os manuais, tanto de funcionamento quanto de instalação (Fig. 4). A almofada a ser utilizada, além de um cabo extensor, é útil na transferência dos dados extraídos pelo VB300, que é conectado ao aparelho medidor. Além desses componentes, são necessários mais dois cabos: um adaptador cinza que repassa as informações do aparelho a um monitor e um cabo USB preto.
Figura 4 – Aparelho Medidor de Vibração no Corpo Humano VB300, seus Acessórios e Seat pad
A etapa de montagem e fixação dos equipamentos consistiu na instalação do seat pad sob o banco. A colocação do acelerômetro triaxial foi realizada com especial cuidado, de forma a respeitar a orientação dos eixos de coordenadas (Fig. 5).
Figura 5 – Fixação do Aparelho Medidor de Vibração juntamente ao banco do kart
Apesar de considerar o peso do corpo do condutor como suficiente para manter o acelerômetro fixo em contato permanente com o assento, em todas as montagens realizadas foram utilizadas tiras de fita adesiva, assegurando o contato permanente destes.
O cenário do estudo foi a pista do Hamilton Kart Club, localizada em Ontário, Canadá. O trabalho foi centrado exclusivamente nesta pista, por possuir tanto trechos de alta quanto de baixa velocidade, além de ser conhecida por sediar as principais corridas nacionais de kartismo canadense. A Fig. 6 ilustra o mapa do percurso do presente estudo, que contém 14 curvas.
Figura 6 –Pista selecionada para realização do trabalho
A fim de verificar os níveis de exposição à vibração aos quais os pilotos de kart estão sujeitos, foram realizadas vinte experimentações, utilizando um único piloto em um modelo de kart de tamanho júnior. Essas medições ocorreram em dois dias diferentes, nos horários entre 9h30 e 14h30.
A cada vez que se iniciava um ensaio, o piloto conduzia o kart até o ponto inicial referente a cada trecho proposto, a partir do qual o aparelho medidor era então acionado. Ao transcorrer todo o percurso, o piloto retornava após uma volta completa ao ponto de partida, onde o aparelho era acionado novamente e a medição era finalizada.
Depois de capturar os dados durante os ensaios, a comunicação do sistema de aquisição dos dados ao computador era feita por meio de um cabo USB, transferindo-os de modo instantâneo.
A aceleração é normalmente utilizada como uma unidade primária de medida de magnitude das vibrações devido a facilidade oferecida pela sua técnica de medição, devendo ser tomada a partir do sistema de coordenadas originada no ponto onde se considera que a vibração penetra no corpo humano.
A ISO 2631 fornece os valores técnicos relacionados aos critérios de julgamentos e tomadas de decisões, com relação aos parâmetros básicos para a avaliação da exposição à VCI, correspondente à aceleração resultante da exposição normalizada(aren) e o valor da dose de vibração (VDVR).
Tabela 3– Critérios de julgamento e tomada de decisão
| aren (m/s2) | VDVR(m/s1,75) | Consideração Técnica | Atuação recomendada |
| 0 a 0,5 | 0 a 9,1 | Aceitável | No mínimo manutenção da condição existente |
| > 0,5 a < 0,9 | > 9,1 a < 16,4 | Acima do nível de ação | No mínimo adoção de medidas preventivas |
| 0,9 a 1,1 | 16,4 a 21 | Registro de incerteza | Adoção de medidas preventivas e corretivas visando à redução da exposição diária. |
| Acima de 1,1 | Acima de 21 | Acima do limite de exposição | Adoção imediata de medidas corretivas |
Fonte: ISO 2631, 1997.
Para fins de avaliação da exposição a vibração neste estudo em seus vinte ensaios experimentais, os níveis de vibrações foram analisados considerando os procedimentos estabelecidos pela NHO 09.
A aceleração resultante a exposição normalizada(aren) corresponde à aceleração resultante de exposição(are) convertida para a jornada diária padrão de 8 horas.
Para isto o primeiro cálculo a se realizar corresponde à aceleração média resultante de exposição parcial(arepi) Eq. (3), representativa da exposição ocupacional relativa à componente de exposição ‘i’, ocorrida em uma parcela de tempo da jornada diária, considerando os três eixos ortogonais.
Sendo:
amrik= aceleração média resultante relativa à késima amostra selecionada dentre as repetições da componente de exposição ”i”; s = número de amostras da componente de exposição ”i” que foram mensuradas; i = componente de exposição; k = número de amostra.
O valor da amr11 é fornecido pelo aparelho medidor e refere-se à aceleração média resultante, valor relativo à raiz quadrada da soma dos quadrados das acelerações médias, medidas e ponderadas aos três eixos ortogonais.
A aceleração resultante de exposição(are) corresponde à aceleração média resultante representativa da exposição ocupacional diária, considerando os três eixos ortogonais e as diversas componentes de exposição identificadas, definida pela expressão que segue Eq.(4):
Sendo:
T = Tempo de duração da jornada diária de trabalho; ni = Número de repetições da componente “i” ao longo da jornada de trabalho arepi = Aceleração resultante de exposição parcial;
Ti = Tempo de duração da componente de exposição “i”;
T = Tempo de duração da jornada de trabalho;
m = número de componentes de exposição que compõem a exposição diária.
O último cálculo que se faz relacionado à componente da aceleração resultante da exposição é o da aceleração resultante de exposição normalizada(aren) Eq. (5), correspondente à aceleração resultante da exposição(are) convertida para uma análise diária padrão de 8 horas, determinada pela seguinte expressão:
Sendo: are = aceleração resultante de exposição;
T = Tempo de duração da jornada diária de trabalho expresso em horas ou minutos;
To = 8 horas ou 480 minutos
Com relação aos resultados encontrados, e considerando a rápida mudança na velocidade e direção em um kart, aliada ao alto downforce aerodinâmico, notou-se valores substanciais durante as curvas e as frenagens, com algumas acelerações longitudinais, laterais e verticais próximas de 3 m/s².
Considerando uma concisa comparação à norma ISO 2631, verifica-se que os resultados da média de Aceleração Resultante de Exposição Normalizada (AREN), em todos os casos, ficaram em média 2,95 vezes maiores do que o número base da norma em vigor, a VCI, destacando-se em seu maior pico o valor de 4,64 m/s².
Figura 7 – Aceleração XYZ e Aceleração Resultante de Exposição Normalizada(aren) Vs Tempo(s)
Portanto, com base nos resultados obtidos neste trabalho e desconsiderando um panorama trabalhista, este seria um exemplo real para a adoção imediata de medidas preventivas e corretivas, visando à redução da exposição diária à vibração para os condutores, uma vez que o limite máximo para a mesma é de 1,1 m/s². Como também descrito na Tabela 1, a própria norma vigente descreve, para este caso, uma referência extremamente desconfortável relacionada ao conforto do corpo humano, já que se constatou faixas de valores com acelerações superiores a 2,5 m/s².
Além de certificar-se apenas dos números e de acordo com a revisão bibliográfica, a temática da VCI é tratada principalmente como um fator de conforto, saúde e desempenho. Uma vez que qualquer desvio de atenção, reflexo do estresse físico ou mental, pode resultar em uma maior chance de o piloto realizar uma manobra errada, assim como em uma possível tomada de decisão rápida equivocada.
Apesar da crescente popularidade do automobilismo nas últimas décadas, ainda há uma escassez de estudos sobre o estresse fisiológico associado a esse esporte. A contínua expansão do automobilismo e a diversidade de sua população de atletas ressaltam a importância de compreender a fisiologia envolvida. No caso em estudo, foi constatado que os níveis de vibração superaram 1,1 m/s², limite aceitável para o corpo humano. Isso evidencia que o automobilismo é um esporte agressivo, tornando necessárias ações para mitigar esse impacto.
Sendo assim, um maior conhecimento permitiria que as equipes de corrida otimizassem os programas de treinamento para os pilotos, assim como capacitasse as confederações responsáveis a criarem o ambiente mais seguro possível para esse esporte, já considerado de alto risco.
Altmann D, S Benbow S, Bouchard J. – Medicine in Motor Sport– FIA Institute for Motor Sport Safety and Sustainability, 2011.
Azizan M, Fard M. The influence of vibrations on vehicle occupant fatigue. Inter-noise, 2014.
Balbinot, Alexandre. Caracterização dos níveis de vibração em motoristas de ônibus: um enfoque no conforto e na saúde. Tese de Doutorado – Escola de Engenharia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Rio Grande do Sul, 2001.
Beer, E. P., Johnston, E. R., Vector mechanics of engineering, Statics and dynamics, McGraw, 1982.
Extech VB300, Disponível em: <https://www.flir.com/landing/extech/>. Acesso em: 21 de junho de 2023.
Griffin, Michael J..Health Effects of Vibration – The known and the unknown, 2006.
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Hood W. Jr, Murray R., Urschel C., Bowers J., Clark J., Cardiopulmonary Effects of Whole-Body Vibration in Man, 1966.
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Manual Extech VB300, Disponível em: <https://www.manualslib.com/manual/866628/ Extech-Instruments-Vb300.html>. Acesso em: 10 de junho de 2023.
Masmejean EH, Chavane H, Chantegret A, Issermann JJ, Alnot JY. The Wrist of the Formula 1 Driver. Br J. Sports Med, 1999.
Tillett, Disponível em: <https://www.tillett.co.uk/accessories/rain-meister>. Acesso em: 21 de junho de 2023.
Ximenes M., Gestão Ocupacional da Vibração no Corpo Humano, Aspectos Técnicos e Legais Relacionados à Saúde e Segurança, 2006.
[1] Engenheiro Automotivo (Bacharel/Graduação) – Universidade de Brasília. ORCID: https://orcid.org/0009-0002-8597-8712.
Material recebido: 24 de setembro de 2024.
Material aprovado pelos pares: 26 de setembro de 2024.
Material editado aprovado pelos autores: 04 de outubro de 2024.
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