
No nível mais alto, o desempenho de um veículo em qualquer circuito aplica a Segunda Lei de Newton, F = ma, juntamente com algumas equações de movimento. A descrição que segue abaixo é basicamente como as simulações de dinâmica de veículos funcionam.
Começando com as equações de movimento, o movimento de um veículo em um circuito é dinâmico, onde o veículo viaja pelo espaço tridimensional ao longo do tempo. Se quebrarmos esse movimento pelo espaço em intervalos de tempo cada vez menores, podemos começar a pensar sobre o estado do veículo para cada intervalo de tempo como tendo um conjunto de condições iniciais e finais.
Conforme relatado por Scott Raymond, da revista Racecar Engineering, quando os intervalos de tempo são razoavelmente pequenos o suficiente, é possível aproximar a mudança no estado do veículo das condições iniciais para as finais como um problema de aceleração constante. Usando essa aproximação, podemos aplicar as equações de movimento SUVAT da física para ir do estado inicial do veículo para o estado final do veículo. SUVAT é uma sigla onde s = deslocamento, u = velocidade inicial, v = velocidade final, a = aceleração e t = tempo.
Por enquanto, vamos supor que já sabemos a aceleração do veículo, então se também sabemos a velocidade inicial e o passo de tempo, podemos aplicar a segunda equação SUVAT para calcular o deslocamento do veículo durante o passo de tempo, ou seja, s = ut + ½ at2. Além disso, podemos aplicar a primeira equação SUVAT, v = u + at, para calcular a velocidade final do veículo no final do passo de tempo. Para o passo de tempo seguinte, a velocidade inicial é a velocidade final do passo de tempo anterior, e podemos prosseguir para avaliar cada passo de tempo sequencialmente. No entanto, não podemos fazer isso até que saibamos a aceleração do veículo para cada um desses passos de tempo!
Agora precisamos considerar a Segunda Lei de Newton. Da aplicação acima das equações de movimento, podemos ver que a velocidade de um veículo em qualquer ponto ao redor de um circuito é governada pela capacidade do veículo de acelerar; portanto, é melhor pensar na Segunda Lei de Newton expressa em termos de aceleração, ou seja, a = F/m. Devemos considerar essa equação como a aceleração igualando a soma de todas as forças (força total) dividida pela massa. Essas forças totais incluem aquelas disponíveis para propulsão e aquelas forças que resistem à propulsão.
Por exemplo, um bloco sentado em uma inclinação terá duas forças agindo sobre ele: uma força gravitacional e uma força de atrito. O componente da força gravitacional que é paralelo à superfície da inclinação puxará o bloco para baixo da inclinação. Ainda assim, a força de atrito entre o bloco e a superfície da inclinação resistirá a esse componente de força gravitacional. Se o componente da força gravitacional for menor que a força de atrito, o bloco não se moverá. Somente quando o componente da força gravitacional for maior que a força de atrito o bloco começará a acelerar rampa abaixo. Então, a aceleração não pode acontecer até que a força total — a soma das forças propulsivas menos a soma das forças resistivas — seja grande o suficiente. Segure esse conceito enquanto começamos a aplicá-lo a um veículo.
A ideia de quebrar forças em componentes direcionais se aplica ao movimento de veículos. Não podemos trabalhar com as equações SUVAT ou a Segunda Lei de Newton até que quebremos as forças que atuam em um veículo em dois componentes. Precisamos quebrar a equação a = F/m em seus respectivos componentes longitudinais e laterais, produzindo duas equações: aceleração longitudinal ax = Fx/m e aceleração lateral ay = Fy/m. Considerando o conceito de forças totais, a aceleração longitudinal é igual à soma vetorial total de todas as forças longitudinais dividida pela massa do veículo. A aceleração lateral é igual à soma vetorial total de todas as forças laterais dividida pela massa do veículo.
Aceleração Longitudinal
A aceleração longitudinal, ax, é a aceleração que alimentamos nas equações SUVAT acima e é a única aceleração que precisamos considerar ao olhar para um problema de aceleração em linha reta. Sabemos que a aceleração longitudinal é a soma das forças longitudinais dividida pela massa do veículo. A força propulsora longitudinal para um veículo vem da unidade de potência do veículo. O torque de saída de um motor de combustão interna típico é alimentado através de um sistema de transmissão (embreagem, eixo de transmissão, caixa de câmbio, diferencial, eixos, cubos, rodas) para os pneus do veículo.

Esse torque atuando através dos pneus resulta em uma força paralela à estrada que tenta impulsionar o veículo para frente. Essa não é a única força que precisamos considerar, no entanto. Assim como havia uma força de atrito resistindo ao movimento de um bloco em uma inclinação, várias forças resistiram à força propulsora do motor e dos pneus. Essas forças resistivas incluem perdas por atrito do trem de força, resistência ao rolamento da interação dos pneus com a estrada, arrasto aerodinâmico e quaisquer forças de frenagem aplicadas.
Aceleração Lateral
O componente de aceleração lateral, ay, não impacta diretamente as equações SUVAT. Ainda assim, ele as impacta indiretamente, pois a aceleração longitudinal de um veículo é limitada pela aceleração total possível combinada, ou seja, a soma vetorial da aceleração lateral e longitudinal. Antes de considerar a aceleração ou forças combinadas, pense em uma situação de curva pura em torno de uma curva de raio constante. Neste cenário, o veículo faz a curva a uma velocidade constante relacionada à aceleração lateral por meio da equação ay = v2 / R, onde v é a velocidade constante em torno da curva e R é o raio da curva.
Ainda estamos lidando com aceleração lateral resultante da força lateral total dividida pela massa do veículo, e ainda temos forças propulsivas e resistivas na direção lateral. A força propulsiva, ou a força que está dirigindo ou empurrando o veículo em direção ao centro instantâneo de curvatura, vem da capacidade dos pneus do veículo de gerar uma força lateral entre o pneu e a estrada. Essa força de atrito aumenta conforme a carga vertical nos pneus aumenta. A força resistiva vem da inércia do veículo. Essa força inercial quer empurrar o veículo de volta para viajar em linha reta, empurrando-o para longe do centro instantâneo de curvatura.
Como todos os corpos em movimento, o veículo não quer virar porque quer continuar viajando alegremente em linha reta. Quando a força lateral dos pneus é igual à força lateral da inércia, o veículo está equilibrado e pode viajar ao redor do caminho curvo. Se a força inercial exceder a força disponível do pneu, o veículo sai do caminho curvo, o que geralmente termina espetacularmente mal para os ocupantes do veículo. Quando a força inercial é menor que o potencial de força lateral dos pneus, o veículo pode acelerar e viajar ao redor da curva mais rápido ou tomar uma linha de raio menor ao redor da curva.

Aceleração Combinada
No tópico de forças combinadas, onde você tem acelerações laterais e longitudinais do veículo ou forças laterais e longitudinais do pneu, estamos falando sobre a capacidade de um pneu de gerar força combinada. Um pneu é apenas um grande elástico, e um elástico gera força quando é esticado. Infelizmente, um elástico só pode esticar até certo ponto antes de falhar. Forças longitudinais esticam o pneu paralelamente à direção do percurso, enquanto forças laterais esticam o pneu perpendicularmente à direção do percurso.
O alongamento total, ou força total que o pneu pode gerar, é a soma vetorial dos componentes lateral e longitudinal. Este conceito é demonstrado através da elipse de atrito de um pneu, onde os limites externos da elipse definem quanta força/alongamento combinado o pneu pode suportar. Quando a força combinada excede este limite, o pneu perde aderência ao retornar a uma quantidade menos extenuante de alongamento ou falha onde a borracha no remendo de contato se desfaz. O ponto aqui é que um pneu pode gerar apenas uma fração da força longitudinal máxima possível para uma dada quantidade de força lateral.
Retornando às equações SUVAT, agora podemos ver como a força lateral e a aceleração impactam a força longitudinal disponível que um pneu pode gerar. Isso limita a aceleração longitudinal disponível para calcular a distância percorrida e a velocidade final de cada passo de tempo.

Resumo
Então por que gastamos tanto espaço discutindo a física do desempenho do veículo? Como isso está relacionado ao equilíbrio do desempenho? Bem, o equilíbrio do desempenho é simplesmente um problema de física. Ao tentar equilibrar veículos, estamos manipulando a capacidade de um veículo de gerar forças longitudinais e laterais, o que determina como o veículo acelera longitudinalmente e lateralmente. Quero enfatizar esse ponto porque se pensarmos no BoP como um problema de física, podemos começar a ter uma compreensão muito melhor de como as mudanças nos parâmetros do veículo influenciarão o desempenho geral de um veículo. E quanto melhor entendermos a física, melhores seremos em fazer mudanças!