estudando a física envolvida na aerodinâmica do

ESCOLA MAGNUS DOMINI
ROMPENDO A BARREIRA DO SOM: ESTUDANDO A FÍSICA ENVOLVIDA
NA AERODINÂMICA DO AVIÃO SUPERSÔNICO
Andrei Megre Souto
Gustavo Henrique Silva Rodrigues
João Victor Rodrigues Gasparin
Rafael Honorato Bezerra
MARINGÁ
2016
1. INTRODUÇÃO
O homem sempre admirou o voo dos pássaros, aquelas habilidades e
técnicas naturais o faziam sonhar em um dia poder voar. Com o passar dos
tempos, alguns aventureiros tentaram de alguma forma imitar os “seres de
asas”, mas não obtiveram sucesso. Leonardo da Vinci pesquisou a anatomia
dos pássaros, obteve informações do comportamento das asas em relação ao
ar. Tempos depois, tivemos a colaboração do brasileiro Alberto Santos
Dumont, que conseguiu voar com seu 14-BIS, aeronave biplano, durante
alguns metros, e com isto fez evoluir a aviação mundial. Com o efeito das
guerras, a indústria aérea teve um grande impulso, promovendo estudos e
pesquisas para o aperfeiçoamento dessas máquinas.
Uma vez que se tornou possível alcançar velocidades cada vez mais
altas, a ambição humana levou a indústria aeronáutica a desenvolver
aeronaves capazes de atingir velocidades exorbitantes, tal qual a velocidade do
som. Estes aviões, denominados supersônicos, são extremamente potentes e
permitem que longos caminhos sejam percorridos em tempo reduzido. Ao
serem comparados com aviões convencionais, observamos uma série de
diferenças aerodinâmicas que podem justificar o motivo do supersônico ser
mais rápido. Apesar disso, não se pode dizer que ele é 100% vantajoso, já que
ao ultrapassar a barreira do som, causa o boom sônico, acarretando problemas
tanto à natureza quanto às estruturas construídas pelo homem.
O desafio atual é desenvolver uma tecnologia capaz de fazer o avião
superar essa velocidade sem causar o boom sônico. Diante disso, entendemos
a relevância de estudar essa tecnologia para apresentar à comunidade escolar
as propriedades físicas que a envolvem, visto que, para que um avião voe, é
necessário que algum tipo de força consiga vencer ou anular seu peso, para
isso, fenômenos físicos ocorrem quando ele está em movimento. Logo, o
objetivo do nosso trabalho é estudar o funcionamento de aviões supersônicos
do ponto de vista físico e compará-los aos aviões convencionais.
2. HISTÓRIA DA AVIAÇÃO
O
interesse
pela
aviação
não
é
recente,
egípcios
e
gregos
representavam alguns de seus deuses por figuras aladas, demonstrando
fascínio por tais movimentos de voo.
Já no século XV, Leonardo Da Vinci construiu um modelo de avião em
forma de pássaro, mas não conseguiu fazê-lo voar. A famosa disputa de quem
fez o primeiro avião chegar às nuvens ficou entre os estadunidenses Irmãos
Wright e o brasileiro, Santos Dumont. A história não conseguiu chegar a um
acordo sobre isso, ainda.
De acordo com alguns documentos, os irmãos conseguiram levantar voo
mais cedo, porém, tiveram poucas testemunhas e sua motivação era ganhar
dinheiro, além de que dois eram avessos à mídia e pouco simpáticos. Já
Santos Dumont, tem registros mais tardios, no entanto, suas tentativas de
levantar voo foram feitas em locais públicos e com bastante plateia, além da
presença da imprensa, documentando o feito e marcando-o como o primeiro a
pilotar um avião mecânico. Na Imagem 1, a seguir, observamos a evolução dos
primeiros traçados de Leonardo Da Vinci e o histórico 14 BIS de Santos
Dumont.
Imagem 1 – O avião em forma de pássaro desenhado por Da Vinci e o aeroplano 14 BIS construído por
Santos Dumont
Ao observarmos essa imagem, constatamos modelos ainda muito
rudimentares, mas que já exibiam características compatíveis com a física do
voo.
3. FORÇAS FÍSICAS ENVOLVIDAS NO VOO – COMO VOA UM AVIÃO
CONVENCIONAL?
Para que um avião possa voar, se costuma falar, no jargão aeronáutico,
em “quatro forças”. O vento fluindo em uma determinada direção em relação ao
avião produz uma força sobre o aeroplano chamada de força aerodinâmica
total. Outra grandeza ligada à força aerodinâmica e também muito importante
na descrição do voo é o ângulo de ataque, definido como o ângulo formado
pela direção do vento e pela direção do avião. A força aerodinâmica total pode
ser decomposta em duas componentes: a sustentação e o arrasto. Além
desta, atuam sobre o avião o peso e a força de tração (ou propulsão). Assim,
podemos definir quatro forças envolvidas na física do voo:

Sustentação (S) é a componente da força aerodinâmica perpendicular à
direção do movimento do voo. Podemos afirmar que é a força aplicada para
sustentar o avião no ar.

Arrasto (R), essencialmente uma força de atrito, é a componente da força
aerodinâmica paralela à direção de voo, ou seja, o arrasto é uma força
aerodinâmica devido à 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.

Peso é a força da gravidade (P = mg) atuando sobre o avião e dirigida para
o centro da Terra.

Tração (T) é a força produzida pelo motor e é dirigida ao longo do eixo
longitudinal do avião, isto é, trata-se de uma força responsável por
impulsionar a aeronave para frente, sendo originada de algum tipo de
motor.
As imagens, a seguir, ilustram como essas forças atuam sobre o avião
em duas situações: subindo como pode ser observado na Imagem 2 e
descendo, como na Imagem 3.
Imagem 2 – Forças sobre um avião no procedimento de subida com velocidade e taxa de ascensão
constante
Imagem 3 – Forças sobre um avião no procedimento de subida com velocidade e taxa de aterrissagem
constante
Em ambas as imagens podemos observar que um avião durante o voo
está sob efeito de forças distintas indispensáveis para seu funcionamento.
Estas atuam em direções contrárias e garantem a sustentação do avião no ar,
o maior desafio na aeronáutica. A seguir, descrevemos um passo a passo de
como o avião voa:
1. Para fazer um avião sair do chão, a primeira coisa é superar a resistência
do ar a objetos em movimento. Assim, a aeronave precisa ser impulsionada
por hélices, foguetes ou turbinas. Essas últimas executam duas ações:
primeiro, sugam o ar para dentro com uma grande hélice, como um
exaustor gigante.
2. Depois de sugar o ar, as turbinas expelem esse ar do outro lado,
comprimido
e
acelerado
por
várias
hélices
menores.
O
ar
“supercomprimido” e acelerado que sai da turbina gera uma força em
sentido oposto, que “empurra” o avião pra frente fazendo-o vencer a
resistência do ar.
3. Vencida a resistência do ar, é o momento de superar o peso de centenas de
toneladas que gruda o avião ao solo. Quem vai fazer isso são as asas,
especialmente desenhadas para criar um poderoso empuxo.
4. A asa mais usada em aviões comerciais tem a parte de cima curva e a de
baixo reta. Esse tipo de construção induz uma diferença de velocidade na
passagem do ar: o ar de cima passa mais devagar, pois percorre um
caminho maior no mesmo tempo que o ar de baixo, que passa mais rápido.
5. A diferença na velocidade na passagem de ar faz com que a pressão na
parte de cima da asa seja menor que embaixo. Com isso, a força do peso
(que atua em direção ao solo) fica menor que a força de empuxo (que atua
para cima). E o avião começa a voar.
6. Para que o piloto possa controlar o ângulo de subida ou descida e realizar
ajustes na velocidade do avião, as asas possuem pás móveis chamadas
flaps. Eles alteram a direção da passagem do ar, mudando a diferença de
pressão na asa e, por consequência, o empuxo do avião.
7. Por fim, o avião não perde a direção devido à asa que fica em pé na parte
de trás, o estabilizador vertical. Ele mantém a aeronave em linha reta. O
estabilizador também tem um flap, chamado de leme, que é movido sempre
que o piloto quer virar a aeronave para a esquerda ou para a direita.
A Imagem 4 ilustra algumas das partes do avião descritas anteriormente
e também a ação das forças necessárias para que o voo seja alçado.
Imagem 4 – Um avião convencional durante o voo e algumas de suas estruturas fundamentais
Todas as características até então descritas garantem que o avião possa
sair do chão e sustentar-se no ar, porém, devemos levar em consideração que
estas máquinas podem atingir as mais diferentes velocidades, classificando-as
de acordo com sua capacidade. Em relação à velocidade que os aviões podem
atingir, podemos classificá-los em:

Subsônico: quando a sua velocidade verdadeira é inferior a 75% da
velocidade do som.

Transônico: quando a sua velocidade verdadeira varia entre 75% e 120%
da velocidade do som.

Supersônico: quando a sua velocidade verdadeira é superior à velocidade
transônica, mas inferior a 5 vezes a velocidade do som. Entre o mach 1,2 e
o mach 5.0.zz. Em que “mach” significa a medida de velocidade
supersônica.

Hipersônico: quando a sua velocidade verdadeira é superior a 5 vezes a
velocidade do som.
Dentre esses tipos de aviões, aprofundaremos nossa discussão nos
aspectos físicos e nas características aerodinâmicas dos supersônicos.
4.
CARACTERÍSTICAS
DE
UM
AVIÃO
SUPERSÔNICO
E
SUAS
DIFERENÇAS EM RELAÇÃO A UM AVIÃO CONVENCIONAL
No que diz respeito ao avião supersônico, faz-se necessário uma força
na turbina muito maior, para assim sua velocidade alcançar os 1255 km/h
(mach 1). Entre os aviões convencionais e os supersônicos as maiores
diferenças são a potência e a aerodinâmica.
No caso da aerodinâmica, os supersônicos têm uma característica muito
perceptível: em geral, seu bico é apontado para baixo, além de ser
extremamente afunilado e pontiagudo. Suas asas são de certa forma mais finas
para que a pressão existente seja menor, consequentemente tornando o avião
mais veloz.
A imagem 5 ilustra as características marcantes de um avião
supersônico, tais como, bico afunilado e apontado para baixo e asas mais
finas.
Imagem 5 – Avião Concorde, um modelo ícone dos supersônicos
Essas características são as principais responsáveis pelas altas
velocidades alcançadas e, consequentemente, o tempo reduzido de voo para
determinados trechos.
A imagem 6, a seguir, apresenta-nos um comparativo entre o Concorde
e aviões convencionais (Boeing e Airbus), abordando tempo de viagem entre
Londres e Nova Iorque, velocidade máxima em milhas por hora, altura em que
voam e o número de passageiros.
Imagem 6 – Comparativo entre caraterísticas de aviões convencionais e o Concorde
Constatamos
que
ao
compararmos
o
Concorde
com
aviões
convencionais (Boeing e Airbus) o tempo de viagem entre Londres e Nova
Iorque reduz-se pela metade, visto que a velocidade atingida é praticamente o
dobro. No entanto, a capacidade para transportar passageiros no Concorde é
bem menor, o que poderia explicar, em parte, uma de suas desvantagens do
ponto de vista da aviação comercial.
4.1 Rompendo a barreira do som
A barreira do som é um obstáculo físico que dificulta o fato de grandes
objetos como o avião atinjam velocidades supersônicas.
Essa expressão foi criada durante a Segunda Grande Guerra Mundial,
devido
aos
avanços
tecnológicos, os
aviões
começaram
a
atingir
velocidades supersônicas e se depararam com os efeitos da compressibilidade
do ar e outros efeitos aerodinâmicos não relacionados à compressibilidade. Os
aviões começaram a sair de uso nos anos 1950 quando aviões passaram a
“quebrar” a barreira do som rotineiramente.
Quando uma aeronave ultrapassa a velocidade do som – mach 1, que
equivale a 1.225 km/h ao nível do mar ou 1.062 km/h em altitudes superiores a
12.200 m –, ela “quebra” a chamada “barreira do som”, provocando um
estrondo sônico (também conhecido como Sonic Boom ou Boom Sônico), uma
onda de pressão que é criada quando o avião voa a velocidades acima de
mach 1. A Imagem 7 ilustra o momento do Boom Sônico.
Imagem 7 – A formação da “saia” decorrente do boom sônico, quando o avião supersônico atinge a
velocidade do som
Composto por uma série de ondas de pressão menores que se juntam
quando a barreira do som é atingida, o estrondo sônico acontece quando há
uma mudança súbita na pressão. Em outras palavras, ele ocorre duas vezes
quando uma aeronave sobrevoa um local: em primeiro lugar, quando a pressão
aumenta de repente, e em segundo lugar, quando a pressão repentinamente
retorna ao normal.
Um avião só pode atingir velocidades supersônicas se sua aceleração
permitir uma passagem rápida pela velocidade de mach 1, evitando a formação
da barreira sônica. Se o avião persistir em mach 1, na sua frente se formaria
uma muralha de ar, pois todas as ondas formadas continuariam no mesmo
local em relação ao avião, criando o fenômeno “barreira sônica”. Podemos
descrever a velocidade do som, a partir da seguinte equação:
√T/T0

v0 é a velocidade do som a 0° sendo 331,45.

T é a temperatura Kelvin do ambiente, ou seja, a temperatura em Graus
Celsius mais 273,15.

T0 é o valor correspondente a 0° C em escala absoluta, ou seja, 273,15 K.
4.2 Aerodinâmica
Dentre as características já mencionadas, talvez a que nos chame mais
atenção seja o formato das asas do supersônico. O efeito do enflechamento é
semelhante ao da redução do tamanho das asas e possui as seguintes
vantagens: o avião com asas enflechadas pode se aproximar mais da
velocidade do som com menor arrasto e com maior controle; em uma asa
enflechada, a perda de sustentação na proximidade do mach crítico é
suavizada e retardada; em uma asa enflechada, a sustentação cresce mais
lentamente com o aumento no ângulo de ataque, para o mesmo aerofólio, do
que em uma asa reta. Ao mesmo tempo, a asa suporta ângulos de ataque
maiores, embora produza menos sustentação e contribuição para manter a
estabilidade lateral e direcional. A Imagem 8 apresenta uma asa enflechada.
Imagem 8 – Asa enflechada usada nos aviões supersônicos
Entretanto,
o
enflechamento
das
asas
apresenta
as
seguintes
desvantagens: o fluxo transversal de ar na asa, que é uma tendência
ocasionada pelo enflechamento do fluxo se desviar da sua trajetória e ir em
direção da raiz da asa, requer como solução a utilização de wing fences
(funciona como uma barreira – como sugerido pela tradução do nome fence,
que significa cerca, e impede o passeio do ar pela asa, e o guia fortemente por
todo o seu caminho, principalmente em áreas críticas à sustentação do avião.
Isso “educa” o ar e mostra exatamente por onde ele precisa passar). A imagem
abaixo (9) ilustra wing fences utilizadas em uma aeronave mais antiga.
Imagem 9 – Asa de avião de caça com as wing fences (indicadas pela flecha) – barreiras metálicas para
direcionar o fluxo de ar
Observamos que na presença das wing fences, o ar percorre a asa em
um espaço delimitado, facilitando o controle do avião.
5. APRESENTAÇÃO DOS PROTÓTIPOS COMPARATIVOS
A fim de ilustrarmos as semelhanças e diferenças entre um avião
convencional e um avião supersônico, apresentaremos dois aeromodelos de
plástico que serão adquiridos em uma loja especializada na cidade de Maringá.
As réplicas (em escala 1:144) serão montadas pelos integrantes do grupo com
peças de encaixe, cola e adesivos. Após esse processo os aeromodelos serão
pintados com tinta própria.
6. PERSPECTIVAS PARA UM FUTURO PRÓXIMO
E o que podemos esperar para o futuro, no que diz respeito aos aviões
supersônicos? Novos aviões com a tecnologia supersônica estão sendo
desenvolvidos e podem passar a fazer parte do nosso dia a dia em breve. De
forma geral, as indústrias que planejam a construção desses aviões visam
maior velocidade, menor consumo de combustível e transporte de um maior
número de passageiros. A seguir, apresentamos alguns projetos que indústrias
aeronáuticas desenvolveram.
A indústria Aerion espera que seu AS2 seja capaz de viajar a
velocidades entre Mach 1,4 e 1,6 (1.487 a 1.700 km/h) e transporte até 12
passageiros, com um alcance máximo de 7.400 km – equivalente ao alcance
do Concorde – o que permitiria que o projeto Aerion chegar à Europa a partir
da costa leste dos EUA. Construído em grande parte de compósito de fibra de
carbono para manter baixo o peso, as asas do AS2 são relativamente simples:
são largas e têm a espessura muito pequena para proporcionar o fluxo de ar
ideal. O resultado disso é arrasto reduzido e menor consumo de combustível, o
que otimiza o alcance e a eficiência.
Imagem 10 – AS2 da ndústria Aerion
O jato Hypermach SonicStar (Imagem 11) está sendo projetado para
voar a velocidades de até mach 4,4 (4.673 km/h). Uma grande diferença no
design da Hyper Mach é o seu motor, uma verdadeira “revolução na propulsão
a jato.” Ele será híbrido, usando tanto combustível como eletricidade, o que
permitirá voar mais longe do que os outros concorrentes supersônicos. Em
relação ao transporte de passageiros, sua capacidade está entre 24 e 36
passageiros e deverá ser capaz de voar de Nova York a Londres em apenas
71 minutos. Seu preço deve ficar na casa dos US$ 220 milhões.
Imagem 11 – Jato Hypermach SonicStar
7. CONCLUSÃO
Em nosso estudo, abordamos algumas características de aviões
convencionais e supersônicos, enfatizando a aerodinâmica. Neste contexto,
apontamos as principais diferenças estruturais presentes nos aviões
supersônicos.
Após toda pesquisa, concluímos que a aerodinâmica e a potência do
motor são os fatores mais influentes na velocidade dos aviões convencionais e
supersônicos. No entanto, os supersônicos ao ultrapassarem a barreira do som
provocam um estrondo que pode causar destruições a vidros e janelas, além
de ser um ruído quase ensurdecedor para seres humanos e animais.
Podemos mencionar algumas características aerodinâmicas de aviões
supersônicos que os fazem mais rápidos e que são um diferencial ao comparálos com aviões convencionais:

Bico afunilado: que permite que o avião diminua o efeito do arrasto.

Asa mais fina: que facilita a força do empuxo e faz o avião levantar.

As Wing Fences: um componente da asa dos supersônicos que funciona
suavizando o arrasto.
Visto que os aviões supersônicos têm a capacidade de alcançar
velocidades muito altas, o que lhes permite reduzir consideravelmente o tempo
de voo, a engenharia aeronáutica vem buscando aprimorar a tecnologia destes
aviões para evitar ou reduzir o boom sônico.
REFERÊNCIAS
http://airway.uol.com.br/jatos-supersonicos-o-futuro-da-aviacao-executiva/
http://itamarclaudionetto.no.comunidades.net/aerodinamica-de-alta-velocidade
http://mundoestranho.abril.com.br/tecnologia/como-o-aviaovoa/?fb_comment_id=10150266850586438_32018557 √
http://www.aerocurso.com/visualizar-noticia.php?id=NDg2
http://www.if.ufrgs.br/tex/fis01043/20031/Andre/
http://www.infoescola.com/fisica/velocidade-do-som/
http://www.oieduca.com.br/artigos/voce-sabia/por-que-o-aviao-voa.html
Nelson Studart, Sílvio R. Dahmen. A física do vôo na sala de aula. Física na
Escola, v. 7, n. 2, 2006