Você já olhou para o céu e imaginou como um avião pode voar?
Essas grandes máquinas extremamente tecnológicas carregam milhares de pessoas todos os dias pelos céus de um lugar para outro com segurança e rapidez, mas vc já parou para pensar como isso é possível?
Nesse capitulo falaremos sobre forças aerodinâmicas. Para voar é necessário que existam forças capazes de sustentar o peso de um avião em voo e entender como essas forças agem é de extrema importância para aqueles que desejam se tornar um piloto. Dessa forma, abordaremos as principais forças que fazem o avião voar aqui nesse capítulo. Vamos lá.
Quando um avião se desloca começa a agir sobre ele o vento relativo. Já vimos isso quando estávamos estudando física.
Se observarmos o comportamento do vento relativo na asa de um avião teremos o seguinte resultado. Ao entrar em contato com o bordo de ataque da asa o vento relativo se divide e parcela desse vento passa por cima da asa e parcela por baixo da asa. Esse é o primeiro ponto que chama atenção. Esse ar fica preso a asa devido ao efeito coanda. A parcela de ar que passa por cima da asa leva o mesmo tempo que a parcela de baixo para percorrer a distância do bordo de ataque até o bordo de fuga, porém, vemos claramente que as distâncias percorridas são diferentes. Sendo esse um perfil assimétrico, temos no extradorso uma distância maior a ser percorrida pelo vento relativo e para que essa parcela que passa pelo extradorso saia ao mesmo tempo pelo bordo de fuga que a parcela que passa pelo intradorso, ela aumenta a sua velocidade.
Vimos anteriormente o teorema de Bernoulli, que dizia que um aumento na velocidade de um fluido em escoamento causa uma redução na pressão estática e um aumento na pressão dinâmica. Agora vamos analisar melhor essa teoria em funcionamento sobre as asas de um avião.
Observe a imagem abaixo.
Um aumento de velocidade corresponde a uma redução na pressão estática conforme o teorema estudado anteriormente. Gera-se então no extradorso uma região de vácuo, e como o intradorso possui uma pressão maior do que no extradorso gera-se uma força que empurra a asa para cima e para trás. Essa força é a resultante aerodinâmica que é aplicada num ponto do aerofólio denominado Centro de Pressão (CP).
Essa força é a que faz o avião voar, juntamente com a força de sucção que a região de vácuo cria no extradorso da asa.
Você verá mais adiante que o motor também assume papel fundamental no voo do avião, o ajudando a vencer a resistência do ar e impulsionando-o para frente.
Ângulo de ataque
Antes de dar continuidade é necessário saber a definição de Ângulo de ataque. A linha da corda do perfil forma um ângulo com a direção do vento relativo. Esse ângulo é denominado ângulo de ataque. E esse ângulo será muito importante para entendermos diversas situações do voo, fique atento.
Variação da resultante aerodinâmica
A resultante aerodinâmica varia de maneira proporcional ao ângulo de ataque.
- Se aumentarmos o ângulo de ataque a resultante aerodinâmica aumenta.
- Se diminuirmos o ângulo de ataque a resultante aerodinâmica diminui.
Influência do ângulo de ataque no Centro de Pressão
Se aumentarmos o ângulo de ataque, a RA aumentará e o CP poderá deslocar ou permanecer imóvel. Isso dependerá do tipo de perfil. Observe abaixo.
No perfil assimétrico – o CP se deslocará para frente.
No perfil simétrico – o CP não se deslocará.
Veja que em ambas as situações a RA aumenta.
Decomposição da resultante aerodinâmica
A resultante aerodinâmica é uma força e por isso é representada por um vetor. Esse vetor pode ser decomposto em dois outros vetores. Usando a regra de decomposição de vetores, já estudada anteriormente, teremos o seguinte resultado. Dois outros vetores vão surgir, são esses a sustentação, representada pelo vetor roxo e letra L de lift e o arrasto, representado pelo vetor azul e letra D de drag. A sustentação e o arrasto são duas forças que surgiram da decomposição da resultante aerodinâmica, ou seja, essas duas forças fazem parte da resultante aerodinâmica. Vamos estudar cada uma dessas forças agora, pois são extremamente importantes.
Resumidamente temos:
Sustentação
É a componente da resultante aerodinâmica perpendicular à direção do vento relativo. É a componente que sustenta o peso do avião.
Arrasto
É a componente da resultante aerodinâmica paralela à direção do vento relativo; é a componente prejudicial para o voo e deve ser reduzida ao mínimo possível.
Fique atento!
A sustentação é a componente da RA perpendicular (nem sempre vertical) ao vento relativo e o arrasto nem sempre é horizontal.
Pode-se observar na imagem anterior que ao levantar o perfil da asa a inclinação da RA também aumenta, isso faz com que a sustentação deixe de ser vertical e o arrasto deixe de ser horizontal. Porém, a sustentação ainda será perpendicular ao vento relativo e o arrasto paralelo a direção do vento relativo.
Vamos agora nos aprofundar mais um pouco em cada uma dessas componentes.
Sustentação
Como vimos, é a componente da RA perpendicular a direçã odo vento relativo. Dependendo do ângulo de ataque a sustentação poderá assumir diversos valores conforme o tipo de perfil.
Com ângulo de ataque positivo a sustentação é sempre positiva, independente do perfil.
Com ângulo de ataque nulo (quando o vento relativo sopra na direção da corda do aerofólio) a sustentação pode ser nula ou positiva, a depender do perfil.
Para que a sustentação seja nula devemos ter no perfil assimétrico um ângulo ligeiramente negativo e no perfil simétrico ângulo nulo.
Quando o ângulo de ataque é menor que o ângulo de sustentação nula, a sustentação do aerofólio torna-se negativa qualquer que seja o perfil. Essa condição é usada no voo de dorso.
Coeficiente de sustentação (CL)
Vimos que as asas são responsáveis por gerar a sustentação necessaria para o avião voar. Existe um número que indica a capacidade dos perfis gerarem sustentação, esse número é o coeficiente de sustentação. Esse nada mais é do que um número que indica a capacidade de um aerofólio produzir sustentação. O valor de CL vai depender do formato do aerofólio e do ângulo de ataque. Os perfis mais curvos e espessos possuem maior capacidade de sustentação, ou seja, perfis assimétricos possuem maior CL e consequentemente maior capacidade de gerar sustentação.
Fórmula da sustentação
Acima pode-se observar que a sustentação depende diretamente do coeficiente de sustentação, da área da asa, da densidade do ar e o mais importante, da velocidade, que participa duas vezes da fórmula da sustentação, por estar ao quadrado. Portanto, velocidade é o fator mais sensível da fórmula da sustentação. Se o CL, por exemplo, for baixo a sustentação será baixa . Se a densidade no momento de um voo for baixa a sustentação também será baixa. O mesmo acontece com a área da asa e a velocidade. Um fator também pode compensar o outro, por exemplo, aviões de baixa delocidade normalmente apresentam grandes áreas de asa e CL. Outro exemplo são os caças, esses posuem pequena área de asa, porem, grande velocidade. Um coisa acaba compensando a outra.
Arrasto
Vamos agora falar sobre a outra componente da resultante aerodinâmica, o arrasto. O arrasto é uma parcela prejucial ao voo, mas inevitável, podemos diminuir o arrasto com diversos artifícios, mas nunca podemos anular a sua ação. O arrasto aumenta à medida que o ângulo de ataque aumenta, porém de forma não proporcional. Ele cresce lentamente no início e rapidamente no final, próximo ao ângulo de ataque crítico.
Em pequenos ângulos existe pouco arrasto e um pequeno aumento no ângulo produz uma insignificante variação do arrasto.
O escoamento do ar então é estável e não possui variações discrepantes. Quando o ângulo de ataque é grande, o arrasto e o turbilhonamento também são grandes. Aumentando ainda mais o ângulo de ataque, chegaremos no ângulo crítico onde, a partir dele, teremos o início do estol.
O aumento do arrasto é provocado pela distribuição desfavorável de pressões que se forma devido à separação dos filetes de ar da superfície do aerofólio, observe imagem abaixo.
O arrasto pode ser de 2 tipos: arrasto induzido ou arrasto parasita. Vejamos:
Arrasto induzido
O arrasto induzido é um tipo específico de arrasto, vejamos. A pressão no intradorso é maior que no extradorso, como vimos anteriormente, e isto faz o ar do intradorso escapar para o extradorso nas pontas das asas do avião formando vórtices em espiral. O ar que escapa reduz a sustentação da asa tornando necessário aumentar o ângulo de ataque para recompor a sustentação, criando então um arrasto adicional que damos o nome de arrasto induzido.
O arrasto induzido é maior nas baixas velocidade e com ângulos de ataques maiores, ou seja, é muito comum nos pousos e decolagens, momentos mais críticos do voo.
Para diminuir o arrasto induzido são utilizados alguns recursos como tanques nas pontas das asas que funcionam como barreiras impedindo o ar de escapar para o extradorso.
Outro recurso é o famoso Winglet que é um componente aerodinâmico posicionado na ponta da asa de uma aeronave, que tem por função diminuir o arrasto induzido, relacionado ao vórtice de ponta de asa. O winglet basicamente faz com que o turbilhonamento que existia na ponta da asa surja na ponta do winglet evitando assim a perda de sustantação na ponta da asa.
A redução do arrasto induzido melhora a eficiência da aeronave, gerando um aumento da velocidade e economia de combustível.
Alongamento
Um outro recurso utilizado por alguns aviões para diminuir o arrasto induzido é o alongamento das asas. Esse é o caso dos planadores.
Arrasto parasita
É o arrasto resultante de uma sustentação nula, ou seja, um arrasto bastante prejudicial ao voo pois além de produzir arrasto não aproveita nada para produzir sustentação.
Veja na imagem ao lado algumas partes do avião que geram arrasto e não geram nenhuma força útil ao voo. Todas essas partes geram arrasto parasita. Essas partes são chamadas de superfícies aerodinâmicas, como já vimos anteriormente.
Para definir o arrasto parasita de um avião, o fabricante determina a área de uma placa plana perpendicular à direção do vento relativo, cujo arrasto é igual ao arrasto parasita do avião.
Conhecendo-se a área plana equivalente, torna-se então possível calcular o arrasto parasita total em qualquer condição.
Ângulo de ataque crítico
Quando o ângulo de ataque é aumentado a sustentação aumenta até chegar no ângulo máximo de sustentação que se chama ângulo de ataque crítico conhecido como ângulo de estol. Ultrapassando esse ângulo, a sustentação diminui rapidamente e o arrastro cresce ocorrendo o fenômeno que chamamos de Estol
Isso acontece porque os filetes de ar não mais conseguem ficar presos a superfície da asa, conforme mostrado acima.
No gráfico abaixo (sustentação na vertical e ângulo de ataque na horizontal) podemos analisar que com um aumento no ângulo de ataque a sustentação aumenta até atingir o ângulo crítico, após isso se continuarmos aumentando o ângulo de ataque a sustentação diminuirá.
Podemos ver também que nos perfis assimétricos o ângulo de ataque crítico é maior. Sendo então um perfil que gera mais sustentação.
A fórmula abaixo permite calcular o arrasto parasita. É muito semelhante à fórmula do arrasto. O valor 1,28 é o coeficiente de arrasto de uma placa plana perpendicular ao vento relativo.
