Porque um avião pode voar e quais os princípios do vôo e da aerodinâmica.
Os objetos em geral podem possuir diversas formas, porém existem aqueles que possuem menor resistência ao avanço do ar. Essa redução da resistência à passagem do ar (arrasto) nos objetos determina o quanto o objeto é aerodinâmico. Tomemos o exemplo de dois objetos de diferentes formatos: um cubo e um cone.
O cubo exercerá maior resistência à passagem do ar, pois tem uma grande superfície de contato direto inicial com o ar.
O cone terá menor resistência à passagem do ar, pois possui uma pequena superfície de contato direto inicial, o contato maior se dá ao longo do cone e não encontra resistência.
Resistência do Ar
Observe que o ar escoa com maior fluidez através do cone, e com maior dificuldade através do cubo, onde a superfície termina abruptamente, provocando turbilhonamento do ar.
Para que seja possível projetar um veículo que usa o ar para se locomover, é preciso que este veículo produza pouco arrasto. Assim como o capô de um carro ou o casco de um navio, o avião é todo projetado com a intenção de produzir o menor arrasto possível naquelas partes que não produzem sustentação.
Sustentação
A sustentação é baseada em alguns fatores importantes: o perfil da asa, o ângulo de ataque e a velocidade aerodinâmica.
A lei da sustentação é baseada no teorema de Bernoulli e na Equação do Escoamento. O terorema de Bernoulli diz que: "Quanto maior a velocidade de escoamento do ar, maior será a pressão dinâmica e menor será a pressão estática". A Equação do Escoamento diz que quanto mais estreito fôr o tubo de escoamento, maior é a velocidade do fluido e vice-versa.
Para efeito de explicação:
A Pressão Dinâmica é aquela produzida pelo ar em movimento. Ao chocar-se com algum objeto, esse ar vai produzir uma certa pressão. Essa é a pressão dinâmica.
Pd=1/2D x V²
onde Pd= pressão dinâmica ; D=densidade do ar ao nível de vôo ;
V= velocidade relação ao ar;
A Pressão Estática é aquela produzida pela concentração das moléculas de ar. Essa pressão, para o uso na aviação, é a pressão atmosférica.
Este teorema pode ser comprovado na prática através do tubo de Venturi. Consiste num tubo com um estreitamento no meio, onde fazemos um pequeno orifício, adaptando um canudo plástico mergulhado num copo com água.
Tubo de Venturi
Observe que o ar acelera no estreitamento (maior pressão dinâmica), provocando uma sucção no canudo (redução da pressão estática), que conseqüentemente pulveriza a água no interior do tubo. Esse sistema é muito utilizado nos carburadores de motores a explosão, onde o ar que entra é misturado ao combustível pulverizado pelo tubo de Venturi e se dirige para os tubos de admissão.
Agora que sabemos que o ar escoa mais rapidamente em superfícies mais estreitas, podemos começar a entender o que faz um avião voar. Vamos observar o perfil da asa de um avião:
Perfil da asa de um avião
Os perfis de asas podem ser de duas maneiras: Os perfis com os dois lados iguais são chamados simétricos, e são normalmente usados para os componentes da empenagem, como a deriva e os estabilizadores. Os perfis com lados de formato diferentes, assim como o da figura, são chamados assimétricos.
Os elementos de um perfil de uma asa são:
Bordo de Ataque: É a extremidade dianteira do perfil, onde o ar bate primeiro.
Bordo de Fuga: É a extremidade traseira do perfil, por onde o ar escoa e livra a asa.
Extradorso: É a superfície superior do perfil, o lado de cima.
Intradorso: É a superfície inferior do perfil, o lado de baixo.
Corda: É uma linha reta imaginária que liga o bordo de ataque ao bordo de fuga.
Linha de Curvatura Média: É a linha que separa igualmente o extradorso do intradorso.
Para entendermos a sutentação, admitimos que o ar bata a uma determinada velocidade sobre um perfil, que nesse exemplo será assimétrico. Ao atingir o bordo de ataque, o ar escoará para o extradorso ou o intradorso. Repare que o caminho a ser percorrido pelo ar no intradorso é menor que no extradorso, onde, devido a curvatura da asa, o caminho será maior.
Para constatarmos isso bastaria que pegássemos uma fita métrica e medirmos a corda de uma asa assimétrica no extradorso e no intradorso. Digamos hipotéticamente que a medição no intradorso fosse 1,24 metros. No extradorso, a medição daria 1,33 metros.
Como vimos no tubo de Venturi, ao estreitarmos o tubo de escoamento, o ar acelera. Como a asa estará envolta em ar, a camada superior àquela que escoa sobre a superfície atuará como as paredes do tubo de Venturi. Observe a figura:
Escoamento do ar
O ar, encerrado entre as camadas de ar logo acima, acelera no extradorso, enquanto a superfície reta do intradorso sofre uma aceleração mínima do escoamento. Lembrando novamente o teorema de Bernoulli, que quanto maior a pressão dinâmica, menor será a pressão estática, o resultado disso será pressão estática no extradorso menor que a pressão estática no intradorso.
Como as pressão estáticas atuam por todos os lados em todas as direções, no extradorso ela atuará de cima para baixo, e no intradorso atará de baixo para cima. Como a pressão estática no intradorso (de baixo para cima) será maior que a pressão estática no extradorso, a asa ganhará sustentação. Essa força de sustentação deverá ser igual ao peso do avião para fazê-lo voar em linha reta. Como essas forças mudam de intensidade com a mudança da velocidade do ar, essa força pode às vezes ser superior ou inferior, devendo ser compensada com mudanças no ângulo de ataque do avião.
Para efeito de explicação:
Ângulo de Ataque: são as mudanças que ocorrem no ângulo relativo de incidência do ar sobre a asa. Esse ângulo não tem a ver com a atitude da aeronave em relação ao horizonte, é apenas o ângulo formado pela corda da asa e o vento relativo que bate no bordo de ataque.
As asas simétricas possuem os dois lados iguais, então, como voam?
Vamos observar o perfil de uma asa simétrica:
As asas simétricas são muito usadas em aviões acrobáticos, pois propiciam melhor capacidade para o vôo de dorso, já que o ângulo de ataque será o mesmo que na posição normal. As asas simétricas somente proporcionam sustentação a partir de um determinado ângulo de ataque positivo. Em asas assimétricas, este ângulo é muito menor devido ao se formato.
O escoamento do ar em uma asa simétrica se dá, como falamos antes, apartir de um determinado ângulo de ataque. Veja a figura:
Ângulo de Ataque
A partir de um certo ângulo de ataque, o vento relativo passa a percorrer um caminho maior por cima do que por baixo, pois o intradorso diminui a sua área de incidência do escoamento ao passo que o extradorso aumenta a mesma. Isso produzirá a situação de sustentação. Este mesmo princípio funciona para as asas de perfil achatado ou flat (como nos shock flyers)
Logo, perceberam como não é simples o cálculo de uma boa asa? E isso que ainda existem fenômenos que variam de acordo com a velocidade do avião, como por exemplo o efeito de compressibilidade do ar, que faz a asa entrar em estol de alta velocidade quando ocorre o "overspeed". Falarei mais sobre este e outros fenômenos na semana que vem!! Abraços!
