Apostila 1 AERODINÂMICA APLICADA A
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AERODINÂMICA APLICADA A AERONAVES DE ASAS FIXAS Um avião é uma aeronave mais pesada que o ar provida de asas fixas (partes da asa são móveis) e que alça vôo por meio do empuxo e da sustentação, ou seja, é empurrada e alçada pelo ar. O empuxo é uma força horizontal para frente a a sustentação é uma força vertical para cima exercida por um fluido (gás ou líquido) sobre um objeto qualquer nele mergulhado. Mas, a sustentação e o empuxo do ar em repouso não é capaz de elevar nenhum objeto que seja mais denso do que ele, razão pela qual nós não flutuamos por aí. Assim, para voar, o avião deve obter um empuxo “extra” e de sustentação, por isso, precisa de velocidade e de asas. As asas de um avião têm um perfil que faz com que o ar, ao passar na parte de cima delas, faça-o mais rápido do que na parte de baixo. E diz uma conhecida lei da Mecânica dos Fluidos que, em uma região na qual a velocidade de escoamento de um fluido é maior do que em outra parte, a pressão é menor. Portanto, a pressão na parte superior da asa é menor que em sua parte inferior. Lembre-se de que pressão é a razão entre uma força e a área de aplicação. Assim, existindo uma pressão maior na parte de baixo da asa, haverá ali uma força vertical para cima, maior do que a força vertical para baixo. Essa resultante para cima é a sustentação de que o avião necessita. No caso do perfil da asa do avião, o ar que passa pelo lado de cima dela percorre uma distância maior do que o ar que passa por baixo, mas o tempo é o mesmo, resultando em uma velocidade maior em cima, o que, de acordo com o princípio de Bernoulli, implica uma pressão menor. Assim, surge uma força resultante vertical para cima — a sustentação. Mas esse movimento do ar pela asa só pode existir porque o avião se move rapidamente, e o responsável por ele são os motores. O avião pode usar hélices ou turbinas. E aqui entra em ação a Terceira Lei de Newton: as hélices ou as turbinas empurram o ar para trás, o ar reage e empurra a aeronave para frente. E vale ainda nesse caso o princípio da conservação do momento linear. O avião então se mantém no ar sob a ação de quatro forças: a força de tração proporcionada pelas hélices ou turbinas, a força de resistência do ar, que age sempre no sentido oposto ao movimento, a força peso e a força de empuxo. Na situação de equilíbrio, a força de resistência do ar é igual, em módulo, à força de tração, e o avião se mantém em velocidade constante — e, ainda, o empuxo é igual à força peso, e o avião não sobe nem desce, mantendo-se em uma altura estável. O piloto pode controlar a velocidade do aparelho e o empuxo (por meio de controles nas asas) e, assim, subir ou descer, aumentar ou diminuir a velocidade, além, é claro, de fazer curvas. O avião é o mais rápido meio de transporte, tanto civil como militar. Os mais velozes jatos militares supersônicos atingem velocidades várias vezes maiores que a velocidade do som. Já aviões a jato comerciais podem atingir 875 km/h. E até mesmo aviões pequenos, como os monomotores, podem voar a 175 km/h. Controle do avião Para um avião elevar-se no ar, ele deve erguer seu próprio peso, incluindo o combustível e o peso dos passageiros, das bagagens e de toda a carga que porventura esteja levando. As asas fornecem a maior parte da força de sustentação, mas a fuselagem também tem seu papel aerodinâmico. Para que surja a força de sustentação, a aeronave deve mover-se rapidamente no ar, o que é conseguido com o uso de hélices, turboélices ou turbinas. Na cauda do avião, encontram-se os estabilizadores horizontal e vertical que contêm o leme e os elevadores ou profundores (veja a figura). O papel do profundor é regular a inclinação da aeronave para cima, como quando há necessidade de elevar-se, ou para baixo, para pousar, por exemplo. O leme controla a direção do avião, mantendo-o em sua trajetória sem deslizar de um lado para outro. Nas asas, existem também partes móveis, como os ailerons, que são utilizados para suavizar curvas, através da inclinação da aeronave, e normalmente trabalham em sentidos opostos: quando um está para cima, o outro está para baixo. Os instrumentos que movem todas essas partes nas asas e na cauda ficam na cabine de comando: trata-se de uma coluna de controle (o manche) e pedais. Empurrando a coluna para frente ou para trás, o piloto controla os profundores e, assim, sobe ou desce a aeronave. Se ele mover a coluna lateralmente, estará alterando a configuração dos ailerons, o que faz o avião inclinar-se para um lado ou outro e conta com o leme para fazer curvas e na estabilização da direção e utiliza os pedais para isso. PRINCIPAIS PARTES DA AERONAVE Aqui, obviamente, faremos apenas uma rápida menção às principais partes que integram uma aeronave. Assim, podemos falar de sua estrutura central, chamada de fuselagem ou charuto. Suas asas são responsáveis pela sustentação da aeronave. A cabine de comando é o local onde vão os pilotos e onde estão instalados os controles da aeronave. Propulsores são os motores da aeronave, que variam de acordo com o tipo e emprego da aeronave. Slats, spoilers, ailerons, flaps, são superfícies de comando que serão melhor estudadas mais a frente, uma vez que interessam diretamente à aerodinâmica do voo da aeronave. Na parte posterior da fuselagem, a qual chamanos de cauda, encontramos os estabilizadores vertical e horizontal, nos quais encontramos instaladas, respectivamente, o leme de direção e os profundores (ou lemes de profundidade, ou ainda, elevador). Os estabilizadores podem ter construção variada, conforme se observa na figura abaixo. FORÇAS QUE ATUAM SOBRE A AERONAVE Em uma aeronave atuam 4 forças, a saber: para a frente a tração ou empuxo; para trás o arrasto; para cima a sustentaçã; e, para baixo o peso. Para a aeronave acelerar é necessário que o empuxo (tração) torne-se maior que o arrasto; para desacelerar, o empuxo (tração) deve ser menor que o arrasto. Se arrato e empuxo (tração) forem iguais a aeronave voará com velocidade constante em razão do equilíbrio das forças. Para a aeronave subir é necessário que a sustentação torne-se maior que o peso; para descer, a sustentação deve ser menor que o peso. Se sustentação e peso forem iguais a aeronave voará nivelada em razão do equilíbrio das forças. Note ainda que, todas as vezes que o empuxo (tração) aumenta, também há aumento do arrasto, pois uma maior quantidade de ar estará passando pelo corpo da aeronave. Logo, empuxo (tração) e arrasto são grandezas DIRETAMENTE proporcionais. RESULTANTE AERODINÂMICA É o resultado da decomposição da sustentação pelo arrasto; é chamada, também, de resistência ao avanço. TRAÇÃO OU EMPUXO É a força que proporciona a movimentação da aeronave, a fim de que a mesma possa desenvolver a velocidade de deslocamento necessária a uma decolagem e, mesmo, a manutenção do próprio voo. É uma força fundamental, uma vez que a aeronave precisa, via de regra, desenvolver certa velocidade para conseguir voa. Esta força, tração ou empuxo, é produzida pelos motores da aeronave, que podem ser de tipos variados, de acordo com o tipo de aeronave e tipo de e,prego da aeronave. ARRASTO Logo, é uma força contrária ao deslocamento da aeronave; é oposto ao empuxo. Na dinâmica dos fluidos, arrasto é a força que faz resistência ao movimento de um objeto sólido através de um fluido (um líquido ou gás). O arrasto é feito de forças de fricção (atrito), que agem em direção paralela à superfície do objeto (primariamente pelos seus lados, já que as forças de fricção da frente e de trás se anulam), e de forças de pressão, que atuam em uma direção perpendicular à superfície do objeto (primariamente na frente e atrás, já que as forças de pressão se cancelam nas laterais do objeto). Ao contrário de outras forças resistivas, como o atrito, que é quase independente da velocidade, forças de arrasto depende da velocidade. O arrasto é uma força de resistência ao movimento de um objeto num fluido (como o ar - a água também é um fluido). Uma forma de sentir o efeito do arrasto é colocar (com cuidado) sua mão para fora da janela de um carro em movimento. O arrasto que sua mão produz depende de alguns fatores, como o tamanho de sua mão, a velocidade do carro e a densidade do ar. Desacelerando o carro, você nota que o arrasto em sua mão também diminui. Esportes têm bons exemplos do efeito do arrasto. Pilotos de moto se abaixam nas retas para ganhar velocidade (e erguem o torso nas freadas para aproveitar o arrasto). Esquiadores da modalidade downhill nas Olimpíadas de Inverno se agacham sempre que podem, para ficar "menores" e reduzir o arrasto que produzem, acelerando mais rápido montanha abaixo. É para reduzir o arrasto que logo após a decolagem um avião de passageiros recolhe o trem de pouso, guardando-o na fuselagem (o corpo) do avião. Assim como o esquiador e o piloto de moto, o piloto do avião quer tornar a aeronave o menor possível para reduzir o arrasto. A quantidade de arrasto produzida pelo trem de pouso de um jato é tamanha que, em velocidade de cruzeiro, o trem de pouso seria arrancado do avião. Pode ser subdividido, para fins didáticos, em arrasto de atrito, arrasto de pressão ou arrasto de forma, arrasto de perfil, arrasto de interferência, arrasto parasita e arrasto induzido. TIPOS DE ARRASTO 1. ARRASTO DE ATRITO Este tipo de arrasto está relacionado com as tensões de cisalhamento atuantes e as características da superfície do avião, sendo ela lisa ou áspera. Quanto mais lisa for, o ar se moverá de forma laminar, porém se áspera, ocorrerá um fluxo de ar turbilhonado aumentando o arrasto. Para se evitar esse tipo de problema, atualmente se utiliza na construção das aeronaves material mais liso e polido na sua área externa o que possibilita maior economia e melhor rendimento de voo. 2. ARRASTO DE PRESSÃO OU ARRASTO DE FORMA Representa o arrasto gerado devido ao desbalanceamento de pressão causado pela separação do escoamento e está relacionado com a área, na qual o ar colide de frente, e ocorre a chamada deflexão (desvio do ar pelo obstáculo). Para se obter um menor arrasto, 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. 3. ARRASTO DE PERFIL É a soma do arrasto de atrito com o arrasto de pressão, este termo é comumente utilizado quando se trata do escoamento em duas dimensões, ou seja, representa o termo empregado quando se realiza a análise de um aerofólio. 4. ARRASTO DE INTERFERÊNCIA Representa um arrasto de pressão que é causado pela interação do campo dos escoamentos ao redor de cada componente da aeronave. Em geral o arrasto total da combinação asa-fuselagem é maior que a soma individual do arrasto gerado pela asa e pela fuselagem isoladamente. 5. ARRASTO INDUZIDO É o arrasto dependente da geração de sustentação, é caracterizado por um arrasto de pressão causado pelo escoamento induzido “downwash” que é associado aos vórtices criados nas pontas de uma asa de envergadura finita. Este tipo de arrasto ocorre devido a 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 uma perturbação na ponta da asa, o que provoca uma resistência ao avanço do avião. A diferença de pressão existente é na verdade a mesma ação que cria a força de sustentação, portanto pode se concluir que o arrasto induzido é intrínseco a geração de sustentação da asa, ou seja, representa o “preço que deve ser pago” para produzir a força de sustentação necessária ao voo da aeronave. O arrasto induzido ou vortes é minimizado através da instalação nas pontas das asas de dispositivos chamados de WINGLET. O arrasto parasita de uma aeronave pode ser estimado através do cálculo individual da força de arrasto de cada uma das partes do avião que não produz sustentação, lembrando sempre de levar em consideração o arrasto de interferência onde se faz presente, utilizando-o como estimativa individual dos componentes da aeronave que se encontram sob interferência dele. Normalmente os componentes que devem ser somados em uma aeronave de AeroDesign são: a) Asa; b) Fuselagem; c) Profundor; d) Leme; e) Trem de pouso principal; f) Trem de pouso do nariz; g) Rodas; h) Interferência Asa-Fuzelagem; i) Lincagem; j) Motor. Os componentes “I” e “J” devem ser estimados através de experimentos que geralmente acrescem cerca de 20% no total encontrado. Ao calcular normalmente existem muitas incertezas quanto a um valor exato do coeficiente de arrasto parasita a partir do modelo apresentado. Essas incertezas ocorrem devido principalmente as componentes da aeronave que se encontram sob o efeito de arrasto de interferência além das irregularidades das superfícies que dificultam muito o processo de cálculo. Em face dessas dificuldades, muitas vezes a melhor maneira de se estimar o arrasto parasita é a partir do conhecimento prévio dos coeficientes de arrasto parasita dos componentes de aeronaves já existentes e que possuem uma aparência similar a da aeronave que se encontra em fase de projeto. PESO O peso de um objeto é a força gravitacional sofrida por este objeto em virtude da atração gravitacional nele exercida por um outro corpo massivo. Em senso comum o peso é associado à força sobre um objeto de massa muito pequena se comparada à massa ordens de grandeza maior do corpo responsável pela atração gravitacional, contudo em termos científicos a definição é simétrica: o corpo massivo também está solicitado por uma força peso associada à atração nele exercida pelo objeto pouco massivo, sendo em verdade este peso exatamente igual em módulo ao peso do próprio objeto pouco massivo em virtude da terceira lei de Newton. Leigos sobre o assunto geralmente confundem os conceitos de peso e massa. Contudo ressalva-se que peso e massa são grandezas completamente distintas, apesar de relacionadas. A passo que massa é uma grandeza escalar, peso é uma grandeza vetorial. SUSTENTAÇÃO Chegou a hora de falarmos sobre a sustentação que é a força que efetivamente proporciona o voo da aeronave. Entretanto, para entendermos a sustentação, precisamos primeiramente entender o conceito de VENTO RELATIVO. O vento relativo é o vento criado pelo deslocamento de um objeto e tem o mesmo valor que a velocidade aerodinâmica, mas não representa o deslocamento. Representa o escoamento de ar em relação à asa. O sentido do vento relativo é oposto ao da Velocidade aerodinâmica. É o vento no rosto do piloto. Mesmo com vento real de calda forte haverá sempre vento relativo passando pelo rosto do piloto. É o vento aparente que sopra sobre um corpo em movimento na atmosfera, geralmente no sentido contrário ao objeto em movimento, na decolagem, em voo, no pouso e até mesmo no movimento de uma pessoa caminhando. Sendo assim, é fundamental entender que o VENTO RELATIVO é SEMPRE CONTRÁRIO ao deslocamento. Sustentação é a componente da Resultante Aerodinâmica perpendicular ao vento relativo. A Resultante Aerodinâmica (RA) é uma força que surge em virtude do diferencial de pressão entre o intradorso e o extradorso do aerofólio e tende a empurrá-lo para cima, auxiliada ainda pela reação do ar (Terceira Lei de Newton) na parte inferior da mesma. Ela é representada como um vetor que, quando decomposto, dá origem a duas forças componentes que são: a força de sustentação e a força de arrasto. Graças a essa força o aerofólio é capaz de erguer-se. Se este for, por exemplo a asa de uma aeronave, esta alçará vôo. A sustentação é função da densidade do ar (densidade dividida por dois), do coeficiente de sustentação, da área da asa e da velocidade de vôo elevada ao quadrado, e seu símbolo é "L" (Lift, em Inglês). onde: é o coeficiente de sustentação (rho) é a densidade do ar (1.225 kg/m³ no nível do mar)* V é a velocidade de vôo S ou A é a área da asa L é a força de sustentação produzida Conceituação similar de sustentação pode ser desenvolvida para a locomoção em outros fluidos além do ar, destacadamente na água, como se necessita ao projetar hidrofólios. Em aeronáutica é a principal força que permite que uma aeronave comasas se mantenha em vôo. Esta, ao ser maior que o peso total da aeronave, lhe permite decolar. Para a sustentação se utiliza a notação , do termo inglês lift, e sustentação, o qual sempre se busca que seja o maior possível. para o coeficiente de Além disso, a sustentação, e em consequência, seu coeficiente, dependem diretamente do ângulo de ataque, aumentando segundo aumenta este até chegar a um ponto máximo, depois do qual o fluxo de ar que passa sobre os extrados (parte superior da asa), não consegue correr em sua totalidade e manter-se aderido ao perfil aerodinâmico, dando lugar à "entrada em perda" ou estol (do termo inglês stall). A sustentação de uma asa é uma consequência prática do Teorema ou Princípio de Bernoulli, cntribuindo com cerca de 30% da sustentação total. De maneira muito simples, mas técnica, podemos dizer que sustentação é a diferença de pressão entre a cambra superior do aerofólio (parte de cima da asa), onde a pressão estática diminui; e, a cambra inferior do aerofólio (parte de baixo da asa), onde a pressão dinâmica aumenta, conforme figura abaixo. Alguns fatores afetam a sustentação, por exemplo: Quanto mais ar disponível, maior será a sustentação; Quanto maior for a velocidade da aeronave, maior será a sustentação; Quanto maior for a área da asa (tamanho), maior será a sustentação; Quanto maior for o ângulo de ataque (até determinados limites), maior será a sustentação; Quanto maior for a curvatura da cambra superior do aerofólio (até determinados limites), maior será a sustentação; Se o dia estiver seco e frio, maior será a sustentação; Quanto menor for a umidade do ar, maior será a sustentação. STOL ou ESTOL É, simplesmente, a perda da sustentação. O ar que deveria tocar o aerofólio, a fim de produzir a sustentação, não mais cumpre sua função criando na parte superior do mesmo uma área de turbulência, o que acaba por gerar a perda de sustentação ou o stol. SUPERFÍCIE AERODINÂMICA Superfície aerodinâmica é qualquer superfície que possa reduzir a resistência ao avanço ou o arrasto. Sendo assim, das figuras acima, podemos dizer que a primeira e a segunda enquadram-se no conceito de superfície aerodinâmica, porém, a terceira não. AEROFÓLIO O aerofólio é uma superfície aerodinâmica, logo, por definição, é capaz de reduzir a resistência ao avanço ou o arrasto. Porém, além disto, ele faz mais, pois, é capaz de transformar a força do ar em reações úteis (ao voo), como as asas de aeronaves e de carros de fórmula 1. TIPOS DE AEROFÓLIOS Há dois tipos de aerofólios: o simétrico e o assimétrico. O aerofólio SIMÉTRICO é de mais fácil construção, logo, mais barato; seu centro de pressão é considerado invariável; é muito utilizado em helicópteros. O aerofólio SIMÉTRICO é aquele que quando dividido ao meio, através de um corte imaginário, apresentará duas partes rigorosamente iguais, conforme visto abaixo. Perfil Simétrico O aerofólio de perfil ASSIMÉTRICO é aquele que quando é dividido por uma linha imáginária, apresenta duas partes diferentes, conforme figura abaixo. Perfil Assimétrico PARTES DO AEROFÓLIO Em nosso estudo, consideraremos o aerofólio de perfil assimétrico, por ser de mais fácil visualização, mas, em ambos, encontraresmos as mesmas partes. BORDO DE ATAQUE - é a parte do aerofólio onde o vento relativo primeiramente o toca. BORDO DE FUGA - é a parte do aerofólio, através da qual, o vento relativo deixa o mesmo. CAMBRA SUPERIOR ou EXTRADORSO - é a parte de maior curvatura do aerofólio (no perfil assimétrico); é a parte onde a sustentação se dá através da incidência do Princípio de Bernoulli. CAMBRA INFERIOR ou INTRADORSO- é a parte menos curva do aerofólio (no caso de perfil assimétrico); nesta parte a sustentação se dá em razão da incidência da Terceira Lei de Newton (ação e reação). CAMBRA MÉDIA é uma linha imaginária que divide o aerofólio em duas partes equidistantes, ou seja, partes que estão a mesma distância. A cambra média determina a curvatura do aerofólio e, consequentemente, seu tipo. CORDA - é uma linha imaginária que liga o bordo de ataque ao bordo de fuga do aerofólio; sobre ela localiza-se o Centro de Pressão (C.P.); a corda define a posição do aerofólio. CENTRO DE PRESSÃO - localiza-se sobre a corda e é o ponto onde é encontrada a resultante das forças que atuam sobre a aeronave em voo. CENTRO DE GRAVIDADE É o ponto onde se concentra TODO o peso da aeronave. Não deve ser confundido com centro de pressão. O Centro de Gravidade está localizado no cruzamento dos 3 (três) eixos da aeronave. EIXOS DA AERONAVE A aeronave possuí 3 (três) eixos imaginários: o eixo longitudinal, que prolonga-se, horizontalmente, do nariz até a cauda da aeronave; o eixo vertical, que a atravessa de cima para baixo, verticalmente; e, o eixo lateral ou transversal, que atravessa a aeronave no sentido de suas asas, ou seja, lateralmente. EIXO LONGITUDINAL - prolonga-se horizontalmente do nariz à cauda da aeronave. EIXO VERTICAL - prolonga-se verticalmente de cima para baixo. EIXO LATERAL ou EIXO TRANSVERSAL - prolonga-se lateralmente no sentido das asas. NOMENCLATURA DOS MOVIMENTOS EM TORNO DOS EIXOS DA AERONAVE E SUPERFÍCIES UTILIZADAS PARA TAIS COMANDOS Durante a realização de seus movimentos, a aeronave move-se (gira) em torno de seus eixos imaginários. Cada movimento em torno de determinado eixo receberá um nome específico, a saber: ARFAGEM, GUINADA ou ROLAGEM (ROLAMENTO). ARFAGEM - é o movimento do eixo longitudinal EM TORNO DO EIXO LATERAL. GUINADA - é o movimento do eixo longitudinal EM TORNO DO EIXO VERTICAL. ROLAGEM OU ROLAMENTO - é o movimento do eixo lateral EM TORNO DO EIXO LONGITUDINAL. SUPERFÍCIES DE COMANDO DA AERONAVE SUPERFÍCIES DE COMANDO PRIMÁRIAS AILERONS PROFUNDORES LEMES SUPERFÍCIES DE COMANDO SECUNDÁRIAS COMPENSADORES COMPENSADORES FIXOS COMPENSADORES COMANDÁVEIS FLAPS SLAT SUPERFÍCIES DE COMANDO AUXILIARES SLOT SPOILES PRINCIPAIS ÂNGULOS ÂNGULO DE ATAQUE Ângulo de ataque, em aviação, é um ângulo aerodinâmico e pode ser definido como o ângulo formado pela corda do aerofólio e a direção do seu movimento relativo ao ar, ou melhor, em relação ao vento aparente (ou vento relativo). O ângulo de ataque é um dos principais fatores que determinam a quantidade de sustentação, de atrito (ou arrasto) e momentoproduzido pelo aerofólio. ÂNGULO DE INCIDÊNCIA É o ângulo formado entre a corda e o eixo LONGITUDINAL da aeronave. ÂNGULO CRÍTICO OU ÂNGULO DE STOL Corresponde ao ângulo em que a aeronave perde a sustentação. ÂNGULO DIEDRO ENVERGADURA ENVERDADURA DA AERONAVE ENVERGADURA DA ASA ENFLEXAMENTO DA ASA ÁREA DA ASA ALONGAMENTO ESTABILIDADE DA AERONAVE
