Aerodinâmica

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Aerodinâmica / Asas / SustentaçãoForças / Teoria do voo / PressãoTeorema de Bernoulli / Velocidade / Aceleração

Define-se como aeronave qualquer veículo feito pelo homem que se eleva e se movimenta no ar utilizando recursos próprios.

As aeronaves dividem-se em 2 grupos:

Aeróstatos: Aeronaves mais leves que o ar, que voam baseados no Princípio de Arquimedes: “Todo corpo mergulhado num fluido sofre um esforço de baixo para cima equivalente ao peso do volume do fluido deslocado”.

Os Aeróstatos também são divididos em dois grupos, a saber:

Balões – Aeróstatos cheios de gás mais leves que o ar e que não dispõe de meios para manobra. Os balões são subdivididos em dois grupos:

Livres = Depois que se elevam no ar, ficam à mercê dos ventos, não tendo nenhum a ligação com a superfície terrestre.

Cativos = Possui ligação com a superfície terrestre por meio de cabos, que impedem o deslocamento do balão pelos ventos.

Dirigíveis – Aeróstatos cheios de gás mais leves que o ar que dispõe de meios para manobras (movimentação horizontal e dirigibilidade). Os dirigíveis são divididos em:

Dirigíveis rígidos = Totalmente construído com estruturas rígidas, mantendo assim seu formato com ou sem gás no seu interior.

Dirigíveis semi-rígidos = a forma deste dirigível é mantida pelo invólucro de bolsa de gás e parte por uma amarração que reforça esta bolsa longitudinalmente.

Dirigíveis não rígidos = a forma deste dirigível é mantida pelo invólucro de bolsa de gás.

Aeródinos: Aeronaves mais pesadas que o ar e que voam baseadas na 3ª Lei de Newton: “A toda ação imposta a um corpo, corresponde a uma reação de igual intensidade e direção, porém no sentido oposto” e no princípio de Bernouilli: “Em um fluido em movimento, quando a velocidade aumenta, a pressão estática diminui”.

Os Aeródinos são divididos em:

Ornitóptero – A sustentação é obtida através do batimento de superfícies (vôo das aves), não houve aplicação prática.

Helicóptero – A sustentação é obtida através de uma grande asa rotativa.

Autogiro ou Convertiplano (Girocóptero) – A sustentação é obtida através de rotor que gira no planto horizontal. O movimento horizontal é obtido através de motor a hélice, (tratora ou propulsora).

Aviões – A sustentação é obtida através da movimentação da massa de ar em torno da asa (o deslocamento para frente cria a movimentação desta massa).

Classificação dos Aviões

Fuselagem: É o conjunto destinado a abrigar tripulantes, passageiros e carga.

A fuselagem pode ser:

Tubular – Constituída por tubos de aço de dimensões variadas e distribuída de diversas maneiras. Em sua volta é colocado um revestimento externo (tela, pano etc...).

Monocoque – Composta por anéis (cavernas) e revestimento externo (placas de alumínio).

Semi-monocoque – Compostas por anéis, longarina e revestimento externo (placas de alumínio etc...). Este tipo de fuselagem é o que oferece mais resistência e por esse motivo é o mais utilizado na aviação comercial.

Quanto ao número de lugares, os aviões são classificados em:

Monoplace

1 lugar

Biplace

2 lugares

Triplace

3 lugares

Quadriplace

4 lugares

Multiplace

mais de 4 lugares

Empenagem: Localizado na parte de trás do avião, e como o próprio nome diz, visa fornecer estabilidade ao avião em vôo.

Quanto a empenagem, ela poderá ser:

Convencional – O estabilizador horizontal encontra-se abaixo do estabilizador vertical.

“T” – O estabilizador encontra-se na parte superior do estabilizador vertical.

Butterfly – Os estabilizadores estão dispostos sob a forma de V.

Trem de Pouso: É o que fornece sustentação e mobilidade ao avião em meio sólido ou líquido, podendo ser rodas para uso em terra, flutuadores para uso em meio líquido.

Quanto à posição do trem de pouso podem ser:

Convencional – A roda direcional é posicionada atrás do trem de pouso principal.

Triciclos – A roda direcional ou do nariz é posicionada à frente do trem de pouso principal.

Hidroaviões – Flutuadores para uso em meio líquido.

Quanto ao recolhimento do tem de pouso para aviões que utilizam rodas, pode ser:

Fixo – permanece na mesma posição durante todo o processo de vôo.

Retrátil – recolhe parcialmente após a decolagem, sendo visível durante todo o vôo.

Escamoteável – recolhe totalmente sendo alojado em compartimento próprio não podendo ser visualizado durante o vôo; sendo assim não cria resistência ao avanço.

Quanto ao meio de pouso e decolagem podem ser:

Litoplano – somente utiliza pistas sólidas.

Hidroplano – somente em meio líquido.

Anfíbio – utiliza tanto pistas sólidas como meio líquido para pouso e decolagem.

Aerobotes – a própria fuselagem é estanque em forma de casco, para pouso na água.

Asa: É o conjunto destinado a fornecer a força necessária ao vôo, ou seja, sustentação.

A asa possui as seguintes estruturas:

Longarinas – principal elemento estrutural da asa, estendendo-se da raiz à ponta. Sua construção pode ser de madeira ou liga metálica, como nos modernos aviões.

Nervuras – elemento da asa responsável pelo seu formato aerodinâmico.

Envergadura da asa – é à distância da ponta de um lado da asa a outra.

Estais ou Cordas de piano – ligam as nervuras

Quanto ao número de planos de asa, podem ser:

Monoplano – um plano de asa

Biplano – dois planos de asa

Triplano – três planos de asa

Multiplano – quatro ou mais planos de asa.

Quanto à posição da asa, pode ser:

Asa baixa – localizada na parte inferior da fuselagem.

Asa média – localizada na parte média ou central da fuselagem.

Asa alta – localizada na parte superior da fuselagem.

Asa parasol – localizada acima da fuselagem, presa por suportes.

Quanto à fixação da asa na fuselagem, podem ser:

Cantilever – a asa é fixa na fuselagem sem nenhum auxílio.

Semi-cantilever – a asa é fixa na fuselagem com o auxílio de estais e montantes

Grupo Moto-propulsor – É o conjunto que fornece a tração necessária ao vôo, tendo com isso velocidade para que conseqüentemente se adquira sustentação. Os motores também fornecem energia elétrica, pneumática e hidráulica aos vários componentes do avião.

Quanto ao tipo de motor:

Convencional = atualmente o mais encontrado em aeronaves de pequeno porte e é o motor mais básico, utilizando como combustível a gasolina de aviação.

Turbo-Jato = neste tipo de motor a força propulsora é obtida pelos gases de escapamento do motor, tendo como combustível o querosene de aviação.

Turbo-hélice = composto por turbina que aciona a hélice. 90% da força é fornecida pela hélice e 10% pólos gases de escapamento da turbina. Utiliza como combustível o querosene de aviação.

Turbo-Fan = basicamente um motor turbo-jato, com uma maior área de admissão de ar. Sua maior vantagem é a economia de combustível com bom desempenho, utilizando como combustível o querosene de aviação.

Quanto ao número de motores, podem ser:

Monomotor – um motor

Bimotor – dois motores

Trimotor – três motores

Quadrimotor – quatro motores

Multimotores – mais de quatro motores

Para os aviões que ainda usam hélices, elas podem ser:

Tratora – hélices posicionadas à frente do motor (puxa o motor)

Propulsora – hélices posicionadas atrás do motor (empurra o motor)

Tandem – hélices posicionadas tanto à frente como atrás do motor (puxa e empurra).

Quanto à velocidade, os aviões podem ser:

Subsônicos – voam menos que a velocidade do som, mach crítico;

Transônicos – voam sob a influência de um fluxo misto acima do mach crítico e abaixo de mach 1;

Supersônicos – voam acima da velocidade do som e acima de mach 1.

Quanto a finalidade de uso, os aviões podem ser:

Civis

Militares

TEORIA DE VÔO

Para que possamos entender sobre o vôo, temos que saber sobre o meio do qual usamos para efetuar o mesmo, ou seja, o comportamento dos fluidos (líquido ou gasoso; atmosfera).

O movimento dos fluidos também é chamado de ESCOAMENTO podendo ser de dois tipos:

Laminar ou Lamelar: quando ocorre em uma direção de forma regular e ordenada.

Turbulento ou Turbilhonado: quando seu movimento é irregular e desorganizado.

Existe uma lei para este escoamento, chamada de lei da continuidade, que diz: “Quanto mais estreito for o tubo de escoamento maior será a velocidade e vice-versa”.

Pressão dinâmica

É a força de movimento, neste caso, criada pela força de impacto de um fluido. No caso do ar, a pressão dinâmica deixa de existir quando o vento pára de soprar.

Pressão estática

É a pressão parada ou aquela que é exercida em cima de um corpo mergulhado na atmosfera. Como vimos anteriormente à pressão estática ao nível do mar é 1.013,2 Hpa. O físico francês Giovani Venturi provou o teorema de Bernouilli através do tubo de Venturi.

Aerofólio

É uma superfície aerodinâmica que produz reações úteis ao vôo. Alguns exemplos são: asa, leme de direção, profundor, pás da hélice etc...

Superfícies aerodinâmicas

São superfícies criadas com o intuito de facilitar o seu deslocamento em um fluido. Devem produzir o mínimo de resistência ao avanço. Numa aeronave o aerofólio que é responsável pela sustentação é a asa a qual devemos conhecer melhor suas partes para poder melhor compreender o porque seu formato é fator decisivo na sustentação de uma aeronave:

Bordo de ataque: é a parte dianteira

Bordo de fuga: parte de trás

Extradorso: parte superior

Intradorso: a parte inferior

Se na parte superior da asa (Extradorso) existiu uma diminuição de pressão estática, foi criada uma diferença de pressão entre a parte de baixo (Intradorso) do perfil e a parte de cima (Extradorso). Como a maior força ganha, o resultado é um empurrão da chapa (Asa) ou perfil para cima. Com isto se cria o princípio da sustentação de uma asa.

Traçamos uma linha reta do bordo de ataque ao bordo de fuga do aerofólio, esta linha terá o nome de CORDA.

A linha que une o bordo de ataque ao bordo de fuga eqüidistando o extradorso do intradorso é denominado LINHA DE CURVATURA MÉDIA.

Observações:

As asas são aerofólios biconvexos ASSIMÉTRICOS

Os estabilizadores são aerofólios biconvexos SIMÉTRICOS

Asa, empenagem e hélice são aerofólios que produzem reações úteis.

Para ser considerado asa, é obrigatório ter o extradorso convexo.

Eixo Longitudinal

Formado por uma linha reta que une o nariz à cauda do avião. Quando a asa é colocada no avião, a corda forma um ângulo com o eixo longitudinal do mesmo, que se chama “ângulo de incidência”.

Vento relativo

Formado pela movimentação de um corpo. É o vento que se sente ao colocar a mão fora da janela de um carro em movimento. Este vento sempre terá a mesma direção e velocidade, porém, somente o sentido será contrário ao do deslocamento do corpo.

Exemplo: Podemos dizer que quando uma aeronave realiza um vôo descendente a uma velocidade de 200Km/h, verificamos o aparecimento do vento relativo subindo a uma velocidade de 200Km/h.

Ângulo de Ataque

Formado pela corda da asa e o vento relativo. Este ângulo poderá aumentar ou diminuir dependendo da atitude do avião (nariz para cima ou para baixo). Este ângulo não poderá ser muito elevado, pois produzirá o efeito chamado ESTOL ou o turbilhonamento do fluído no extradorso da asa fazendo com que o avião perca sustentação.

Estol

É a perda súbita de sustentação, geralmente provocada por baixa velocidade ou ângulo de ataque exagerado. Observação, o ângulo de estol é igual ao ângulo crítico.

Ângulo de incidência

Formado entre a corda e o eixo longitudinal (ângulo fixo).

Ângulo de atitude

Ângulo formado entre o eixo longitudinal e a linha do horizonte é um ângulo variável.

Resultante Aerodinâmico

É a força que resulta quando se une a resistência ao avanço à sustentação. Geralmente esta força é para cima e para trás.

FORÇAS QUE ATUAM EM UMA AERONAVE EM VÔO

Tração: fornecida pelo grupo moto-propulsor

Arrasto: aparece com o deslocamento

Sustentação: fornecida pela asa

Peso

O nome em inglês e português dado a estas forças são:

Inglês

Português

T – Traction

T – tração

W – Weight

P – Peso

L – Lift

S – sustentação

D – Drag

A– arrasto

Cada uma destas forças se aplicam em um ponto:

Tração – centro de tração

Arrasto – centro de arrasto ou resistência ao avanço

Sustentação – centro de pressão (CP)

Peso – centro de gravidade (CG).

Para um vôo reto-horizontal, as forças deverão estar em equilíbrio entre elas:

A tração deverá ser igual ao arrasto para uma velocidade constante.

A sustentação igual ao peso para que continue voando sem subir ou descer.

Observações:

Vôo cruzeiro deverá ser o vôo nivelado com velocidade constante

Arrasto induzido está relacionado à sustentação

Arrasto parasita não está relacionado à sustentação

SUPERFÍCIES DE COMANDO PRIMÁRIAS

São superfícies utilizadas para modificar a atitude da aeronave em torno de seus três eixos imaginários, que cruzam no centro de gravidade. São eles:

Leme de direção: Faz com que o nariz do avião vire para a esquerda ou direita. Superfície de comando primária localizada atrás do estabilizador vertical na empenagem. Comandado pelos pedais; ao pressionar o pedal direito, o avião guina para a direita, e vice-versa.

Os pedais atuam nos freios quando o avião está no solo, sendo assim considerados BIFUNCIONAIS. A parte inferior do pedal atua no leme de direção e a parte superior do pedal atua no freio das rodas.

Eixo vertical – linha reta imaginária que corta a aeronave verticalmente. O movimento que a aeronave faz em torno deste eixo se chama GUINADA.

Aileron: Faz com que as asas inclinem-se as asas inclinem-se para a esquerda ou para a direita. Superfície de comando primária localizada próxima às pontas da asa, comandado pelo volante do manche, girando o volante do manche para a direita, o avião inclinará para a direita, e girando o volante do manche para a esquerda o avião inclinará para a esquerda.

Eixo longitudinal – linha reta imaginária que une o nariz à cauda do avião. O movimento que a aeronave faz em torno deste eixo se chama ROLAGEM, ROLAMENTO, BANCAGEM ou INCLINAÇÃO LATERAL.

Profundor: Faz com que o avião suba ou desça. Superfície de Comando Primária localizada atrás do estabilizador horizontal na empenagem, comandado pela coluna do manche; ao se movimentar para frente o avião PICA, e quando o comanda a coluna do manche para trás o avião inicia o movimento de CABRAR.

Eixo lateral ou transversal – linha reta imaginária que cruza de um lado da asa ao outro. O movimento que a aeronave faz em torno desse eixo se chama ARGAGEM, quando feito para cima chama-se CABRAR e quando feito para baixo, PICAR.

SUPERFÍCIES DE COMANDO SECUNDÁRIAS

Compensador: Localizada sempre no interior do comando primário, a superfície de comando secundária tem a finalidade de aliviar as pressões dos comandos primários quando existir uma mudança prolongada de atitude do avião, como por exemplo, num vôo ascendente. Há o compensador do aileron, profundor e leme direcional.

DISPOSITIVOS HIPERSUSTENTADORES

Os dispositivos servem, como o próprio nome diz, para aumentar a sustentação. Eles são utilizados tanto na decolagem (para aumentar a velocidade) quanto no pouso (para diminuir a velocidade e prover boa sustentação) São eles:

Flap ou Flape: dispositivo instalado geralmente no bordo de fuga da asa próximo à fuselagem. Quando atuando, faz com que a asa passe a ter uma maior curvatura e conseqüentemente um maior ângulo de ataque. O aumento da curvatura do ângulo de ataque fará com que o avião ganhe mais sustentação.

Slats: instalados no bordo de ataque da asa, são um tipo especial de flap. Sua função é a mesma do flap: modificar a curvatura do perfil, possibilitando manobras com baixa velocidade, porém o inconveniente é aumentar em demasia o ângulo de ataque, prejudicando a visão.

Slots: são fendas que servem para suavizar o escoamento do ar no extradorso da asa, aumentando-se com isso a ângulo crítico (onde começa a perda de sustentação). São considerados como recursos aerodinâmicos.

FREIOS

Para diminuirmos ainda mais a velocidade temos que ter artifícios que aumentem a resistência ao avanço. Para esse fim foi criado os “spoilers” ou “speed brakes” que são painéis retangulares localizados no extradorso da asa que, quando atuados, funcionam como freios. Estes painéis levantam ficando, ficando assim expostos ao vento relativo, criando uma “barreira” e diminuindo a velocidade do avião.

Os “Flapes” quando atuados também criam resistência e, com isso, também servem como freios. O próprio trem de pouso, quando abaixado, oferece grande resistência ao avanço, diminuindo a velocidade da aeronave.

Quanto mais objetos expostos ao vento relativo maior será o arrasto. Portanto uma aeronave de trem de pouso tipo fixo oferece maior arrasto do que aquele com trem escamoteável.

Utilização dos motores para auxiliar a frenagem (Reverso de motor)

A mudança de direção e sentido dos gases de escapamento nos fornecerá uma tração contrária, auxiliando-nos na parada da aeronave na aterragem. A essa mudança de direção e sentido do fluxo dos gases damos o nome de REVERSÃO.

Estabilidade

É a habilidade própria de um corpo, após ter seu equilíbrio perturbado, desenvolver forças ou momentos para trazê-lo de volta a sua posição original. Quanto a equilíbrio existem 3 tipos, a saber:

Tipo

Quando afastado de seu equilíbrio o avião tende a

Estável

voltar a sua posição inicial

Instável

afastar-se de seu equilíbrio

Indiferente

ficará na nova posição

Para ter segurança em todas situações de vôo o avião deverá estar em seu equilíbrio estável!

Estabilidade longitudinal: é a estabilidade do avião em relação ao eixo lateral. Se este avião receber uma rajada de vento que levante o nariz, sem que o piloto atue nos comandos de vôo, o avião voltará a posição inicial. O estabilizador horizontal localizado na empenagem do avião é responsável pela estabilidade longitudinal.

Estabilidade lateral: é a estabilidade do avião em relação ao eixo longitudinal. Se o avião recebe uma rajada de vento que levante uma das asas, a tendência do avião é de voltar à sua posição original sem que se atue nos comandos.

Ângulo Diedro

É o ângulo formado entre o plano de asa e o eixo transversal ou lateral do avião. Pode ser positivo (para cima) ou negativo (para baixo).

Enflexamento

É o ângulo formado entre o eixo transversal ou lateral do avião e a linha do bordo de ataque da asa. Pode ser positivo (para trás) ou negativo (para frente). O enflexamento também melhora o desempenho de aeronaves em altas velocidades (enflexamento positivo).

Estabilidade Direcional

É a estabilidade do avião em torno do eixo vertical. Se uma rajada de vento produz uma guinada em um avião estável, este voltará à posição inicial sem que o piloto atue nos comandos de vôo. Responsável por essa estabilidade é o estabilizador vertical localizado na empenagem do avião.

PESO E BALANCEAMENTO

O centro de Gravidade (CG) de um avião não é um ponto fixo, uma vez que durante o vôo há mudanças na posição das cargas e consumo de combustível. Este deslocamento do CG geralmente se dá ao longo do eixo longitudinal do avião. Existem limites onde este deslocamento do CG pode “andar” e geralmente os limites são fornecidos pelo fabricante do avião.

Se os limites do CG forem ultrapassados, normalmente ocorrerá maior consumo de combustível e o avião se tornará instável.

Linha de Referência

É uma linha perpendicular ao eixo longitudinal do avião, a partir de onde são tomadas todas as medidas longitudinais. O estabelecimento destas linhas é dado pelo fabricante.

Princípio da Balança

O efeito do peso sobre uma balança depende do valor aplicado sobre a mesma e da distância (braço) do peso ao ponto de balança.

Braço: é à distância em linha reta que vai do ponto de apoio até o ponto de aplicação da força (peso).

Momento: é o produto da multiplicação do peso de um corpo pelo seu braço. M = F x D.

Equilíbrio: quando os momentos forem iguais, a balança estará em equilíbrio, não havendo nenhuma tendência de deslocamento nem para um lado, nem para o outro.

Desequilíbrio: é quando os momentos forem diferentes, a balança estará em desequilíbrio, tendendo a iniciar-se no sentido do maior momento.

Balanceamento: é a distribuição correta de pax, carga e combustível no interior do avião, de modo que não ultrapasse os limites estabelecidos pelo fabricante.

Consiste na pesagem e distribuição correta dos pesos em relação a CMA (Corda média aerodinâmica).

Corda Média Aerodinâmica: representa a corda onde se localiza a sustentação média da asa.

Limites do CG: são os limites em porcentagem (%) da CMA entre os quais o CG pode se deslocar sem prejuízo para o equilíbrio do avião em vôo.

Pesos interessantes para se considerar:

Vazio – peso do avião com seu equipamento fixo

Básico – peso vazio acrescido por tripulantes e suas bagagens

Operacional – peso do avião pronto para decolar faltando carregar PAXs e Carga

De decolagem – peso do avião pronto para decolar

Zero Combustível – peso do avião pronto para decolar, faltando combustível.

Carga Útil – PAXs + Carga (Payload)

De pouso – peso com que o avião deve pousar

INSTRUMENTOS DE BORDO

Dentre os vários instrumentos que perfazem uma cabina de comando e que podem ser classificados em instrumentos de vôo, navegação, controle, motor etc...

Altímetro: Indica a distância vertical da aeronave em relação ao nível do mar, quando calibrado a 1.013 HPA. Funciona ligado à tomada de pressão estática do sistema – Pitot estática. Pode ser medida em metros ou pés.

Velocímetro: Indica a velocidade do avião em relação ao deslocamento de massa de ar em torno do avião. Funciona ligado à tomada de pressão total (Pressão estática + pressão dinâmica) e à tomada de pressão estática do tubo de Pitot.

Pode ser medida em Knots, MPH, KMH. Após uma determinada velocidade passa a ser medido em número MACH (Percentagem de velocidade em relação ao som).

Variômetro ou “Climb” ou “Vertical speed”: indica a subida ou descida da aeronave, medida geralmente em pés por minuto.

Tubo de Pitot: sistema que capta valores de pressão total. Através do orifício frontal do tubo de pitot se capta a pressão dinâmica. A pressão estática é captada por orifícios laterais do tubo de pitot e também por orifícios localizados na fuselagem da aeronave.

Bússola Magnética: Instrumento básico de navegação que indica a direção seguida pela aeronave em relação ao norte magnético da Terra.

Horizonte Artificial: indica atitude da aeronave em relação ao horizonte e inclinação lateral da mesma.

Sistema de Ar Condicionado: sistema responsável pelo fornecimento e controle da temperatura do ar da cabine da aeronave. Quando em solo o sistema funciona através de um motor chamado A.P.U (Auxiliary Power Unit) ou G.P.U (Ground Power Unit).

Sistema de Pressurização: este sistema tem como função manter a pressão interna da cabine, em níveis fisiológicos suportáveis para o corpo humano, O valor da pressão interna da cabine é maior que a externa. Dizemos então que o diferencial de pressão é positivo.

O controle de pressão do ar é feito através de válvulas chamadas “Outflow Valves” (válvulas de alívio). A despressurização ocorrerá toda vez que houver vazamento deste ar de forma lenta, rápida ou explosiva.

Em caso de despressurização, a aeronave deverá descer para níveis compatíveis à fisiologia humana, normalmente abaixo de 10.000 pés

Teoria BERNOULLI - Vídeo sobre SLAT-SLOT e FLAP

https://www.youtube.com/watch?v=NMPfl8Xh-k8

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Flap em Movimento:

Tubo de Pitot:

A Aerodinâmica do voo:

Teoria de Voo 1 e 2:

2

Globo ciência - O Voo:

Asa e Sustentação:

Tração, Arrasto peso e sustentação...

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