Teoria do voo: Aerodinâmica

AERODINÂMICA: O QUE FAZ O AVIÃO VOAR?
1. Introdução

O homem sempre admirou o vôo suave dos pássaros, aquelas habilidades e técnicas naturais herdadas de Deus, que sempre foram de causar inveja. Ao passar dos tempos alguns aventureiros tentaram de alguma forma imitar os seres de asas, mas não obtiveram sucesso, Leonardo da Vinci foi uma figura que pesquisou a anatomia dos pássaros, obteve informações do comportamento das asas em relação ao ar. Tempos depois tivemos a colaboração de Alberto Santos Dumont, que conseguiu voar com seu 14-BIS, aeronave biplano, durante alguns metros, e com isto fez deslanchar a aviação mundial. Com o efeito das guerras, a indústria aérea teve um grande impulso, promovendo estudos e pesquisas para o aperfeiçoamento dessas máquinas maravilhosas.

Para que um avião voe, é necessário que algum tipo de força consiga vencer ou anular o seu peso, então vamos verificar nesta página o que realmente acontece fisicamente quando ele está em movimento, originando fenômenos que irão ser explicados no desdobramento desta matéria, na qual as asas, também chamadas de aerofólios serão objeto de estudo. A aviação está baseada nos princípios da física, alguns estudados na escola, nos explicando todos os mistérios que giram em torno desta prática. Muitas vezes, quando alguma pessoa vê pela primeira vez um Boeing ou um Airbus decolando ou pousando num aeroporto, não imagina como aquela máquina com algumas toneladas consiga ficar afastada, metros e as vezes quilômetros do solo. Por estas razões que este assunto se torna muito curioso e as vezes apaixonante.

2. Fundamentos físicos

Sabemos que o principal obstáculo nas primeiras tentativas para colocar um avião no ar era o seu peso, uma força causada pela gravidade, mas com alguns diferentes formatos na aerodinâmica dos corpos, conseguiu-se controlar este problema, de forma artesanal no início. Nos estudos e pesquisas feitos pelos cientistas das várias épocas, verificou-se que o ar, fluído que será responsável para sustentar uma aeronave em vôo é composto de alguns elementos, entre eles, nitrogênio, oxigênio e água, com isto podendo sofrer alterações em grandezas como a densidade, temperatura e pressão. Estas mudanças na atmosfera estão relacionadas entre as diferenças de temperatura e pressão entre as várias massas de ar que circulam, originando deslocamentos das camadas, dando início aos ventos, que poderão ser úteis ou desfavoráveis ao vôo.

As grandezas vetoriais e escalares estão presentes neste assunto, sendo as forças, todas vetoriais, incluindo as velocidades, pressões e acelerações, já as escalares, compostas da massa, das temperaturas e densidades. Quando um avião tem o vento a seu favor, temos uma soma vetorial, ou vice-versa, com isto, os vetores são amplamente utilizados, originando todo tipo de resultantes, sejam elas verticais, como peso e sustentação, que será vista posteriormente no ítem das forças, ou horizontais, como a tração e a resistência do ar, quando o avião está em vôo com velocidade constante, a soma de todas as suas forças é nula. O empuxo, visto em hidrostática, também é bem utilizado, porém tendo como fluído, o ar, pois o deslocamento de ar para trás irá causar uma força para frente, então o empuxo, já relacionando com a 3º lei de Newton, lei da ação e reação ( para toda força existe uma outra de mesma direção, mesmo módulo e sentido contrário). A temperatura é uma grandeza escalar muito importante, sendo muito variável, sabemos que quanto mais alto estivermos em relação ao nível do mar, menor será seu valor, o mesmo acontece com a densidade do ar, pois quanto maior a altitude, ficará mais rarefeito alterando nas forças relacionadas no vôo, pois altera diretamente a resistência do ar, quanto ao avanço de um corpo.

3. Forças

Existem quatro forças básicas presentes no vôo:

SUSTENTAÇÃO , ARRASTO , TRAÇÃO , PESO

3.1. SUSTENTAÇÃO:

Quando um avião se desloca pelo ar, ocorre um fenômeno na sua asa que irá produzir uma força para cima, sentido inverso ao peso. O perfil da asa ou aerofólio tem comprimentos diferentes na parte superior (extradorso) e na parte inferior (intradorso) devido ao seu formato, possibilitando que duas partículas de ar percorrendo tais comprimentos ao mesmo tempo, conseqüentemente tenham velocidades diferentes. A física explica que o aumento da velocidade de um fluído pelas paredes de um tubo, provoca um aumento da pressão dinâmica (ar em movimento) e uma diminuição da pressão estática (ar em repouso), originando uma força. Então, tal diferença de pressões estáticas será a responsável por criar uma força perpendicular a superfície da asa, chamada de RESULTANTE AERODINÂMICA, agindo no chamado centro de pressão, tendo como sua componente vertical, a força de SUSTENTAÇÃO. A figura abaixo nos mostra o deslocamento das partículas de ar, partindo do bordo de ataque (frente do perfil) e chegando ao mesmo no bordo de fuga (traseira do perfil) resultando no aparecimento de uma força que compensará o peso da aeronave.

Deslocamento das partículas de ar ao mesmo tempo no intradorso e extradorso.

O perfil da asa pode formar um ângulo imaginário com a direção horizontal, chamado ÂNGULO DE ATAQUE, que poderá aumentar a força de sustentação e ao mesmo tempo, aumentar a força de resistência do ar, fazendo com que o avião tenha menor velocidade, então quando observamos aeronaves nos céu da cidade fazendo procedimento de aproximação, estas estão com um maior ângulo de ataque, então com pouca velocidade. Quando aumenta-se demais este ângulo, aumentamos também a resistência do ar, na mesma proporção, diminuindo muito sua velocidade, com isto o avião pode perder instantaneamente sua sustentação, entrando em estol ( perda total da sustentação em vôo). 

O ângulo de ataque entre asa e linha horizontal.

Podemos calcular analiticamente o valor da força de sustentação (componente vertical da RA).

Cl = coeficiente de sustentação

p = densidade do ar

S = área da superfície da asa

v = velocidade da aeronave

L = força de sustentação (Lift)

A variação de pressão estática é mostrada na figura abaixo, onde podemos ver de uma outra forma, o somatório das forças no aerofólio

figura acima mostra a variação de pressão resultante na asa.

3.2. ARRASTO:

O arrasto é uma força aerodinâmica devido a resistência do ar, que se opõe ao avanço de um corpo. Essa força depende de alguns fatores como a forma do corpo, a sua rugosidade e o efeito induzido resultante da diferença de pressão entre a parte inferior e superior da asa. Então podemos dividir o ARRASTO em três ítens:

Arrasto de atrito Arrasto de forma Arrasto induzido

3.2.1. Arrasto de atrito:

Este tipo de arrasto está relacionado com as características da superfície, sendo ela lisa ou áspera. Quanto mais próximo dela, o ar forma uma camada limite, no qual se move de forma laminar se a superfície for lisa, do mesmo jeito que a fumaça sai do cigarro, porém se a mesma for rugosa ou áspera, ocorrerá um fluxo de ar turbilhonado aumentando o arrasto. Atualmente, as aeronaves são feitas de material mais liso na sua área externa, possibilitando mais economia e melhor rendimento em vôo.

3.2.2. Arrasto de forma:

O arrasto em questão está relacionado com a área, na qual o ar colide de frente, e ocorre a chamada deflexão ( desvio do ar pelo obstáculo). A maior ou menor facilidade de um corpo se deslocar em determinado fluído chama-se aerodinâmica, então as partes que compõe um avião devem ser arredondadas ou terem o efeito de flechas, evitando superfícies retas perpendiculares ao deslocamento, originando assim uma resistência menor. O arrasto de forma depende de alguns fatores como a densidade do ar, velocidade e área frontal do corpo, podendo ser calculado com a fórmula abaixo.

CD = coeficiente de resistência aerodinâmica da asa

p = densidade do ar

S = área da superfície da asa

v = velocidade da aeronave

D = força de resistência ( Drag)

3.2.3. Arrasto induzido:

O arrasto induzido está relacionado com diferença de pressão entre a parte superior e inferior da asa. O ar que está no intradorso (parte inferior) tende a fluir para o extradorso (parte superior), originando um turbilhonamento na ponta da asa, com isto provocando uma resistência ao avanço do avião e diminuindo a sustentação. Existem alguns dispositivos para corrigir este problema como os Winglets, localizados nas pontas das asas, principalmente em aviões mais modernos, que impedem a passagem de ar de cima para baixo. Afigura abaixo mostra o turbilhonamento do ar decorrente do arrasto induzido.

Ar fluindo do intradorso para o extradorso e o turbilhonamento.

3.3. TRAÇÃO:

A tração é uma força responsável por impulsionar a aeronave para frente, sendo originada de algum tipo de motor. Normalmente, no dias de hoje a aviação está servida de motores convencionais, a quatro tempos e motores a reação, utilizando-se de turbo-jatos e turbo-fan.

Motores convencionais:

Este tipo de motor utiliza-se basicamente da mesma tecnologia dos motores dos carros modernos, ou seja, o sistema quatro tempos, utilizando-se de um número variável de cilindros onde será gerada a energia necessária para movimentar a hélice que impulsionará o avião a frente. Uma mistura de ar e combustível, normalmente utilizado uma gasolina especial, é preparada no carburador e emitida para a câmara de combustão, dentro do cilindro, pela válvula de admissão, movimentando o pistão para baixo, e transferindo todo movimento para o eixo de manivelas, ligado a hélice. Após o pistão sobe e comprime a mistura, a qual receberá uma centelha de um dispositivo chamado vela, provocando uma combustão e um aumento da pressão da mistura e uma conseqüente expansão, forçando o pistão para baixo, após, os gases finais são expelidos pela válvula de escapamento, e o ciclo continua, para que o avião mantenha a força de tração.

Devido ao avanço da tecnologia, alguns aviões a hélice utilizam um sistema que adiciona uma turbina, que será visto nos motores a reação, recebendo o nome de turbo-hélice. A figura abaixo mostra ama aeronave com tração a hélice.

Uma aeronave modelo King Air servido dois motores turbo-hélice.

Quando a hélice da uma volta, o avião sofre um deslocamento, este é chamado de PASSO DA HÉLICE, onde pode ser fixo ou variável. Quando um avião está na decolagem, a freqüência do motor em rpm pode aumentar, e em alguns casos dependendo do sistema do conjunto da hélice, o passo pode modificar.

Motores a reação:

Este tipo de motor funciona de acordo com a terceira lei de Newton, ação e reação, onde a ação se situa na expulsão dos gases para trás, provocando a reação do deslocamento do avião para frente. Os sistemas utilizados são os turbo-jato e turbo-fan, sendo este último mais moderno.

O sistema em si, utiliza-se de um conjunto de pás na parte da frente, formando o primeiro compressor e a parte de traz, segundo compressor da turbina, e no meio contendo uma câmara de combustão, onde se dará a queima da mistura de ar comprimido com o combustível, normalmente querosene, que aumentará ainda mais a pressão dos gases originando uma saída dos mesmos muito forte. Neste caso, está presente a força de empuxo devido ao deslocamento dos gases. Abaixo pode ser visto o correto funcionamento de uma turbina.

Turbina em funcionamento.

Normalmente, as aeronaves maiores são servidas de dois, três ou quatro motores a reação, atingindo grandes velocidades e voando em grandes altitudes. Devido a economia de combustível e ao avanço da tecnologia, os grandes jatos estão sendo dotados de não mais que duas grandes turbinas.

3.4. PESO:

O peso está relacionado com a força da gravidade, a qual atrai todos os corpos que estão no campo gravitacional terrestre. Não existe nenhuma forma de alterar esta força, então é preciso cada vez mais aperfeiçoar as aeronaves, para sempre respeitar as leis da natureza.

O peso é um fator muito importante nas operações de pouso e decolagem, pois um avião muito pesado irá precisar de maior comprimento de pista para decolar, para conseguir velocidade suficiente visando a sustentação para anular o peso, sendo assim, aviões maiores são impedidos de operar em certos aeroportos. O mesmo acontece na aterrisagem, pois deve-se respeitar a lei da inércia.

4. Curiosidades

Superfícies de comando Efeitos da altitude Aviões militares

Aviação comercial Tráfego aéreo Segurança aérea

4.1. Superfícies de comando:

4.1.1. Ailerons 4.1.2. Profundores 4.1.3. Leme de direção

4.1.4. Flaps 4.1.5. Spoilers 4.1.6. Slots

O avião utiliza-se de outras superfícies fixas além das asas para manter o vôo, sendo elas, os estabilizadores horizontais e verticais localizados na cauda do aparelho. O estabilizador horizontal tem a função de evitar que o avião gire em torno do eixo das asas, nem baixando, nem levantando o nariz do avião. Já o vertical tem a função de evitar a guinada do aparelho, giro em torno de seu eixo vertical.

Além das superfícies fixas, a aeronave possui também as móveis, chamadas superfícies de comando que irão dominar o avião em vôo como os ailerons, leme de direção e profundores. Os primeiros, ailerons, tem a função de girar o avião em torno do nariz, proporcionando a aeronave executar curvas de maneira correta auxiliada do leme de direção.

funcionamento dos ailerons.

Já os profundores, são responsáveis por baixar ou subir o nariz da aeronave, como mostra a figura abaixo.

O funcionamento dos profundores.

A outra superfície móvel, também localizada na cauda do avião é o leme de direção, que controla o movimento em torno do eixo vertical, sendo mostrado abaixo.

O funcionamento do leme de direção.

Existem também as superfícies que auxiliam em vôo e em terra (decolagem e aterrisagem da aeronave). Estas são os flaps ou slats e spoilers que tem as suas finalidades específicas. Primeiramente, os flaps ou slats, localizados no bordo de fuga da asa, acionados para baixo, com a função de aumentar a área de superfície da mesma.

Flaps acionados em vôo.

Os flaps aumentam a sustentação e o arrasto, diminuindo a velocidade. Estas superfícies são normalmente usadas em baixa velocidade, originando o chamado vôo reduzido ou nos procedimento de aproximação e pouso. As vezes, os flaps são utilizados em decolagens, em pistas curtas, originando uma área de asa maior, possibilitando menor velocidade para sair do solo. Eles podem também atuar como freios aerodinâmicos, pois colaboram com a maior desaceleração. Afigura abaixo mostra o flap de perfil, mostrando sua atuação no ar.

Flap acionado aumentando area de contato da asa com o ar.

Já os spoilers, pertencentes aos grandes jatos, localizados na parte superior da asa e no bordo de fuga, acionados para cima, atuam em conjunto com os ailerons na execução das curvas em algumas aeronaves.funcionam, na perda de sustentação, quando necessário e na redução de velocidade, acionados normalmente nas descidas e nas aterrisagens. Finalmente, os slots, são fendas localizadas no bordo de ataque, que aumentam a curvatura, sem aumento de área, possibilitando uma maior força de sustentação.

4.2. Efeitos da altitude:

É sabido que a densidade do ar é diretamente proporcional a força de sustentação e inversamente com o aumento da altitude. Então a aeronave tem que compensar este problema com uma velocidade aerodinâmica maior. Por exemplo, quando temos dez partículas de ar próximo ao solo, numa altitude muito maior, elas estarão mais separadas, fazendo com que a aeronave se desloque mais, para vencer as partículas. Por isso que a preferência para os jatos são as grandes altitudes, para viajarem, proporcionando economia de tempo e combustível.

4.3. Aviões militares:

A maioria dos aviões são jatos supersônicos, que podem voar a velocidades maiores que a do som, por isso precisam características aerodinâmicas que diminuam o arrasto, sem perda de sustentação. Estas aeronaves possuem normalmente um formato de flecha, que irá diminuir a área de resistência aerodinâmica, também possuem o perfil da asa com pequena espessura, precisando de maior velocidade para manter a sustentação. Devido a tudo isto, eles são munidos de motores a reação (turbinas) muito potentes

A figura mostra dois potentes caças F-16.

4.4. Aviação comercial:

A aviação comercial teve grande impulso a partir dos aviões que foram construídos na segunda guerra mundial, como o famoso DC-3, feito para o transporte de soldados. Nesta época, ele foi construído em grande quantidade. Após este tempo, foi feita a adaptação para o transporte de civis.

Com o avanço da tecnologia e a necessidade de aproximar os continentes, grandes empresas aeronáuticas, principalmente americanas e europeias, como a Boeing e a Airbus, começaram a desenvolver grandes aviões com motores a reação para o transporte de passageiros. Graças a tudo isto ficou mais fácil atravessar os oceanos e os continentes. Estes aviões voam a grandes altitudes para economizar tempo e combustível atingindo velocidades que se aproximam a do som ( 80% a 90% da velocidade do som

Este Boeing 777 é um dos aviões mais modernos do mundo na atualidade.

4.5. Tráfego aéreo:

Nos dias de hoje, a circulação de aviões é muito intensa, obrigando que vários órgãos em terra organizem o trânsito das aeronaves no ar e no solo. Quando um avião parte de um ponto para outro, o piloto precisa ter um plano de vôo que terá as informações sobre rotas a tomar e informes meteorológicos da origem e do destino, que serão importantes para a segurança de vôo.

Normalmente, cada região do país tem um órgão referencial que controlará os aviões em vôo, sabendo o ponto certo onde estão, tudo isso devido a informações de radares e de satélites. Quando a aeronave está próxima da origem ou do destino, ela é controlada pelo controle de aproximação ou pela torre de controle do aeroporto. Em alguns, o tráfego aéreo é tão intenso, que em uma mesma reta de aproximação para pouso, é possível que haja vários aviões.

Vista aérea do moderno aeroporto Salgado Filho na cidade de Porto Alegre.

4.6. Segurança aérea:

As estatísticas mostram, que a probabilidade de acontecer um acidente aéreo é bem remota, perto do que acontece no trânsito de carros das grandes cidades. As pessoas que trabalham no meio aeronáutico devem seguir os regulamentos, de maneira muito rígida, pois qualquer descuido pode acarretar na perda de muitas vidas. Hoje em dia aviões são examinandos em intervalos de tempo determinados pelo fabricante, onde cada peça tem a sua vida útil. Os pilotos, antes de iniciarem na profissão passam por todo tipo de provas, precisando estar muito bem preparados para dominarem uma aeronave, sendo testados rotineiramente. Os controladores de tráfego aéreo exercem uma das mais importantes e estressantes funções, tendo que tomar de maneira cuidadosa as decisões de segundo a segundo sobre a condução das aeronaves.

FONTE: Grupo Tripulação