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Aerodinâmica
Artigo adaptado para o antigo site Aerodinamica, disponibilizado aqui no ECOPROJETOS.COM
(FIGURAS DE AUTORIA DESCONHECIDA)
É a parte da mecânica que estuda os movimentos e interações de corpos fluidos.
Está intimamente ligada ao estudo dos desenhos de aeronaves, navios, carros,
antenas, pontes, etc. afim de melhorar seus desempenhos e segurança.
O vôo
O vôo de uma aeronave é para muitos um mistério. Como pode um avião se
manter lá no alto, com todo aquele peso, se o motor só faz força empurrando o
avião para a frente?
Bom, para começar temos que acreditar que não há nenhuma mágica, e que para
que ele se mantenha no ar, deve haver uma força, ou um somatório de forças que
anulam a força peso e que permaneçam equilibradas enquanto a aeronave está
em voo nivelado.
As quatro forças principais que atuam em uma aeronave durante o voo nivelado
são:
Peso
Sustentação
Arrasto
Tração
Primeiro é preciso ter tração. É a
força que "puxa" o avião na direção
da decolagem. O movimento da
aeronave no ar cria a força de
sustentação nas asas, que vai se
opor a gravidade representada pela
força peso, e que quando for maior
que este, o avião sobe. O arrasto é a
força que se opõe à tração e é
causada pelo resistência do ar.
As forças peso, tração e arrasto são fáceis de se entender. Porém a sustentação é
aquela que causa mais controvérsia. Devido ao fato de que os mecanismos que
envolvem sustentação são muito complexos, existem diversas teorias, derivadas
de cálculos e principalmente experimentos, destinadas a determinar esta força,
mesmo sem conseguir explicar completamente o fenômeno, conseguem
determinar as forças envolvidas com muita exatidão.
Em suma, um avião voa pois a interação asa-ar, cria uma força que empura a
aeronave para cima. Este fenômeno já foi explicado de várias formas. inclusive
aquela que é comumente ilustrada em livros didáticos, onde mostra que o ar passa
com mais velocidade na parte de cima e mais devagar na parte de baixo e a
diferênça de pressões "chupa" o avião para cima. Esta não é toda a verdade. O
fato é que existem outros fenômenos envolvidos. Uma das teorias mais aceitas
hoje em dia deriva da teoria da circulação, onde durante as interações da asa e o
ar, devido aos efeitos provocados pelas diferênças de pressão, aparecem vórtices
que induzem ao ar velocidades descendentes, e pelas leis de conservação de
energia, o avião é empurrado para cima (velocidade ascendente).
Para compreender as figuras abaixo, imagine que cada seta (Ou vetor, como
dizemos) representa a direção do ar se movimentando naquele local, e quanto
maior for a seta, maior é velocidade com que ele se movimenta. Os pontos
representam, obviamente, ar parado.
Para entender o conceito de vetores que iremos ver daqui para a frente, tente
visualizar o exemplo:
Ao percorrer uma placa de madeira, por exemplo, pelo ar, as moléculas vão se
chocando na façe frontal. O efeito destes choques se propaga nessa velocidade em
todas as direções alterando as velocidades das partículas já antes que sejam
atingidas pela placa, . Estas moléculas se acumulam na face dianteira aumentando
aí o número de moléculas e de choques, e em conseqüência a pressão, de modo
especial no centro, onde ocorre o maior acúmulo.
Visualize a figura acima testando: um aquário com algum pó boiando na superfície.
Passe uma placa ou a mão perpendicularmente pela superfície da água e você verá
o padrão da figura acima se repetir.
Do centro da placa, as partículas se deslocam lateralmente escapando pelas
bordas, e aquelas que adquirirão a velocidade da placa, são como que "arrastadas"
por ela, e passam a acompanhar a face traseira, mantendo assim sobre esta,
inalterados tanto o número de moléculas como a pressão. Na fronteira da região
contendo as partículas "arrastadas" e o fluxo externo formam-se redemoinhos (ou
vórtices). Esta força que sentimos se opondo ao movimento, e é chamada de
arrasto de pressão, e decorre portanto, apenas do aumento de pressão em sua
face dianteira.A este arrasto também se soma o arrasto de fricção devido a
viscosidade natural do ar, que literalmente cola à superfície.
Se a mesma coisa fizermos com uma placa inclinada como uma asa, veremos que
as direções do deslocamento do ar (velocidade relativa das moléculas) formam
desenhos circulares em torno da asa. Esta é a chamada "circulação". Veja que as
velocidades induzidas na parte frontal da asa (bordo de ataque) apontam para
cima. Isto provoca um desvio do fluxo de ar conhecido como "upwash" e
corespondentemente no bordo de fuga forma-se o "Downwash".
O padrão final do escoamento, aquilo que veremos,
resulta da união de dois fenômenos que coexistem
nas superfícies aerodinâmicas que geram
sustentação. Em [a] pode-se ver o comportamento
conhecido como circulação (figura anterior). Em [b]
está como seria o escoamento do ar
desconsiderando a circulação. Mas note que no
bordo de fuga o fluxo muda rapidamente de direção,
teoricamente teria que atingir velocidade infinita
neste ponto, algo impossível, e por uma
características dos fluidos, denominada efeito
Coanda, estes tendem a acompanhar curvaturas
suaves, e não pontiagudas como o bordo de fuga,
logo é uma incoerência, não devendo ser assim que
ocorre. E realmente não é. O fluxo se desprende da superfície aerodinamica
próximo ao vértice do bordo de fuga, onde o deixa suave e tangencialmente.
Devido ao efeito da circulação, o escoamento assume a forma vista em [C]. O ar
que chega na asa pelo bordo de ataque, incidindo ligeiramente para cima é o
"upwash" e analogamente no bordo de fuga, o "downwash" que é acelerado para
baixo e será importante para a sustentação.
Visualizações em 3D:
As figuras que mostramos até agora pressupõem somente o perfil da asa, tal como
se a asa fosse infinitamente comprida, sem extremidades, ou seja, não sabemos o
que ocorre como um todo numa asa que tem uma envergadura definida, uma
ponta.
Como a pressão no extradorso da asa é menor que no intradorso, o ar tende a fluir
da parte de baixo da asa para a parte de cima. Este efeito ocorre com mais
intensidade na ponta da asa, formando um turbilhonamento, chamado de vórtice
de ponta de asa.
Este turbilhonamento na ponta da asa (na verdade ocorre na asa inteira) é tão
mais forte quanto maior for a sustentação, logo, aeronaves pesadas geram vórices
violentíssimos, tanto que é por isso o motivo da separação mínima de 2 minutos
entre as aeronaves de carreira. Um vortice destes pode fazer o piloto do avião que
vem atrás perder o controle. Este rotacional é responsável também pelo arrasto
induzido, que nada mais é que a energia retirada do movimento do avião sendo
usada para fazer girar esta grande massa de ar. (veja a condensação da turbina se
enrolando em função do vórtice de ponta de asa na bela foto abaixo)
Este efeito do vótice de ponta de asa, e consequentemente o arrasto induzido,
podem ser minimizados com a adoção de asas com extremidades afiladas, com
"winglets", ou com a adoção de asas longas e estreitas, como a dos planadores. O
formato em planta da asa também pode contribuir para a redução do arrasto
induzido. As asas elípticas, como a do Spitfire são as ideais em redução deste
efeito, porém são de difícil construção, portanto os fabricantes tentam fazer uma
aproximação com as asas de formato trapezoidal, como as do Tucano da
esquadrilha da fumaça.
Imaginando que a aeronave vem em nossa direção, o movimento do ar perturbado
pela asa logo após a passagem da aeronave é mostrado na figura abaixo.
Veja que as "componentes verticais das velocidades" apontam para baixo em toda
a região que a aeronave já deixou para trás. É o downwash já comentado. Agora
podemos fazer uma análise:
Se minha aeronave conseguiu induzir uma velocidade para baixo em uma grande
massa de ar, pelas leis de conservação da quantidade de movimento, esta
aeronave também deve estar sendo empurrada para cima por alguma força
exercida por todo aquele ar. Esta força é a sustentação
Tal como em um furacão, o centro do vórtice possui muito baixa pressão e pode
ocorrer a condensação do vapor d'agua. Lembre-se que aquele fio que pode ser
observado, como na foto abaixo, indica só o "miolinho" do vórtice.
A sustentação de uma asa depende também de outros fatores, como a velocidade
e o ângulo de ataque da asa, que é o angulo formado entre a inclinação do avião
e o vento relativo:
O angulo de ataque pode ser reparado
facilmente quando a aeronave está
pousando. Podemos ver que a direção que
ela segue não é a mesma que ela aponta
com o nariz, ou seja a aeronave vem
para o pouso ligeiramente "cabrada".
O aumento do ângulo de ataque aumenta
a sustentação somente até um
determinado ponto. Após este ângulo
ótimo, acontece literalmente o
descolamento do fluxo de ar e a aeronave
perde a sustentação. É o estol, que se
ocorrer em baixas altitudes pode levar a
aeronave ao chão.
A força de sustentação de uma asa pode ser calculada por uma fórmula simples:
Onde:
FL= Força de sustentação em Newtons (divida por 10 para saber em Kg)
r = Densidade do ar (1.22 Kg/m^3 ao nível do mar)
V = Velocidade do ar em metros por segundo
S = Área da sombra da asa projetada no chão em metros quadrados
CL = Coeficiente de sustetação do perfil
O CL pode ser obtido em função do ângulo de ataque em gráficos como o abaixo,
onde pode-se inclusive observar o estol após o ângulo de ataque de 12º
Note que se a asa estiver em angulo de ataque de -4º, a sustentação será nula,
pois o CL será 0.
Por exemplo, vamos supor que a aeronave A-10 Thunderbolt utilize este perfil
acima em suas asas. Esta aeronave é conhecida pela grande quantidade de
armamento que ele pode carregar. A área alar desta aeronave é de 42m^2.
Vamos calcular a força de sustentação para o A10 voando a 320Km/h próximo ao
nível do mar, com ângulo de ataque 0º.
Ao nível do mar a densidade do ar é 1.22 Kg/m^3. Como estamos próximo ao
nível do mar, vamos usar este valor mesmo. A velocidade deve ser informada em
metros por segundo, logo transformando Km/h para m/s, 320/3.6 = 88m/s. O CL
a 0º pode ser obtido no gráfico, e é por volta de 0.5
Jogando os valores na fórmula, fica:
FL=1/2 x 1.22 x (88^2) x 42 x 0.5 = 101215N que é o mesmo que 10121,5 Kg
força
Apesar de ter sido uma suposição, o resultado, está aceitável, visto que o peso do
A10 vazio é por volta de 6000Kg, ou seja, existe uma força de pouco mais de
4000Kg empurrando nosso avião para cima.
Agora vamos fazer uma suposição diferente. Vamos dizer que o A10 não pode
pousar a mais de 190Km/h, senão pode ocorrer um terrível acidente. Vamos
supor também que estamos próximos ao nível do mar e que a aeronave está
carregada, e o peso total é 11000Kg. Qual o CL necessário para que ele não caia
antes de tocar a pista?
Fazendo uma manipulação na fórmula, verificamos que o valor de CL pode ser
dado por:
FL é exatamente o peso da aeronave, pois no momento do pouso a aeronave toca
o solo suavemente, quase em voo nivelado, e lembre-se que em voo nivelado as
forças se equilibram. Jogando os valores:
Cl = 2 x 11000/(1.22 x 53^2 x 42) = 1.55
Observando o gráfico, veremos que este perfil não atinge o CL desejado. O CL
máximo ocorre com ADA12º e não chega a 1.5, esta aeronave irá estolar,
provocando um terrível acidente se tentar manter esta velocidade tão baixa.
A solução é acrescentar nas asa dispositivos móveis chamados de "hipersustentadores". São os flaps e os Slats. Os flaps tem função de aumentar a
curvatura da asa, aumentando assim o CL, sem que seja necessário atingir
ângulos de ataque elevados, próximos ao estol. Deste modo a aeronave pode voar
em velocidades muito baixas para realizar um pouso seguro. Os slats tem a
função de corrigir o escoamento sobre a asa, de modo que o fluxo volte a "colar"
no aerofólio, permitindo a aeronave alcançar ângulos de ataque maiores. Em
aeronaves grandes, é comum que se use os dois componentes trabalhando juntos.
São de grande utilidade em todas as operações que envolvam baixa velocidade ou
muito peso.
A figura ao lado mostra uma asa com
as superfícies de hiper-sustentação
recolhidas(à esquerda) e atuadas(à
direita). Note que em [a], ocorreu o
descolamento do fluxo. O que ocorre
é que as moléculas de ar já
perderam muita energia devido ao
alto ângulo de ataque e não
conseguem permanecer
acompanhando a curvatura da asa.
Nem o uso do flap ajudaria agora,
uma vez que o fluxo descolou. O slat é usado para impedir que isso ocorra. Ao
abrir uma fenda no bordo de ataque[b], faz com que uma parte do ar altamente
energizado que iria passar por baixo da asa, agora passe por cima, energizando o
fluxo no extradorso fazendo com que este permaneça colado à superfície até o
bordo de fuga.
Os fenômenos que envolvem o vôo de uma aeronave são complexos, por vezes
difíceis de entender, mas nem por isso deixam de ser belos. O objetivo deste
artigo foi introduzir a noção de como ocorre o vôo. Não se esqueça que existem
muito mais coisas envolvidas, como as de natureza estrutural, de operação,
controle, estabilidade, fisiológicas dos pilotos e passageiros etc.
Como dica, proponho que se você puder adiquirir um simulador de vôo, destes
que se joga no computador como o Microsoft Flight Simulator, ou o X-plane
(www.x-plane.com), instale e jogue, Alguns são reais o suficiente para que você
possa ter uma noção exata de como funionam as superfícies de comando, o estol,
e efeito dos flaps etc. Acredito que são ótimas ferramentas complementares de
aprendisagem, e é claro, de diversão.
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