Noções de física para teoria de voo

Vamos iniciar o curso de teoria de voo e aerodinâmica relembrando os principais conceitos físicos envolvidos na aerodinâmica e na teoria de voo.

Aerodinâmica é a ciência que estuda o ar e sua interação com os corpos. Ela estuda os efeitos do movimento do ar sobre os corpos e o efeito dos corpos sobre o movimento do ar.

Teoria de voo por sua vez, nada mais é do que a aplicação da aerodinâmica no projeto e na operação das aeronaves.

Sendo assim a aplicação da aerodinâmica para fins de aviação.

Peso

É a força que resulta da ação da gravidade, ou seja, o peso de um corpo é a força com que a “Terra” o atrai. O peso pode ser variável, quando a gravidade variar. Cada planeta possui o seu valor de gravidade e isso irá mudar o peso dos corpos.

Utilize a fórmula “P = m.g” para calcular o valor do peso de um corpo. Na fórmula, m é a massa desse corpo e g a gravidade do local onde se encontra o corpo.

Abaixo você pode ver os valores aproximados da gravidade no planeta Terra e na Lua.

Pode-se observar com isso que o peso de um mesmo objeto poderá variar com o local. Um objeto na superfície da lua é menos pesado do que esse mesmo objeto na superfície do planeta Terra, isso acontece pelo fato da gravidade na Lua ser menor do que a gravidade na Terra.

Massa

É a quantidade de matéria contida em um corpo, sendo SEMPRE invariável.

Muitas pessoas acabam confundindo as definições de peso e massa, achando que são a mesma coisa.

Isso é muito comum de se ver quando vamos à uma balança “nos pesar”, expressão usada na linguagem popular. Na verdade, quando fazemos essa ação estamos medindo a quantidade de massa contida no nosso corpo e não o nosso peso. A massa, diferentemente do peso, é invariável, a menos que se acrescente ou retire matéria do corpo.

As unidades de medida da massa mais comuns são as mencionadas abaixo, com as suas respectivas equivalências.

1 Lb – libra	0,45 kg
1 Kg – quilograma	2,246 Lb

Força

É tudo aquilo que é capaz de alterar o movimento de um corpo ou deforma-lo. Para que um corpo possa alterar o seu movimento a força aplicada sobre ele tem que ser maior do que a força que o faz ficar em repouso.

Como no exemplo abaixo o homem só irá conseguir puxar o cachorro se a força que ele aplica for maior do que a força que o cachorro faz para se manter em repouso.

As unidades mais comuns de força encontram-se abaixo. Lembrando que peso, também é uma força, portanto, vai receber as mesmas unidades mencionadas abaixo.

• Kgf – Quilograma força
• Libra- força
• Newton

Densidade

É a razão entre a massa e volume de um corpo. Ou seja, densidade mede o grau de concentração de massa em um determinado volume. Veja a fórmula abaixo.

Trabalho

É o produto da força pelo deslocamento. Toda vez que deslocamos um objeto por uma determinada distância estamos realizando um trabalho, pois aplicamos neste corpo uma força para realizar tal deslocamento.

Velocidade

A velocidade está relacionada ao tempo que se leva para percorrer determinada distância. É, portanto, a distância percorrida por unidade de tempo. Recebe as unidades mencionadas abaixo, mais comuns na aviação.

• Km/h – quilometro por hora
• MPH – milha por hora
• Kt – Knot – Minha náutica por hora
• M/S – metro por segundo

Aceleração

É a variação de velocidade por unidade de tempo. Podendo ser para mais (acelerando) ou para menos (freando).

Quando um corpo aumenta sua velocidade com o passar do tempo dizemos que esse corpo está acelerando.

Quando um corpo diminui a sua velocidade com o passar do tempo dizemos que esse corpo está freando.

A aceleração é calculada pela fórmula abaixo:

Potência

É a quantidade de trabalho efetuado por unidade de tempo, o que equivale à velocidade de mudança de energia num sistema ou ao tempo despendido para realizar um trabalho.

A unidade de potência é medida em HP (Horse Power).

Pressão

Pressão é a força exercida sobre alguma coisa. Na física é a razão entre a força e a área da superfície em questão.

É calculada pela fórmula abaixo:

Observe que a pressão é diretamente proporcional a força e inversamente proporcional a área.

Isso quer dizer que se aumentarmos a força a pressão aumenta e vice versa, e se aumentarmos a área a pressão diminui e vice versa.

Torque/momento

É toda força que é capaz de causar rotação. Por exemplo, você gera um torque toda vez que aplica a força usando uma chave de boca. Apertar as porcas das rodas de seu carro é um bom exemplo também.

Quando você usa uma chave de roda, aplica determinada força para manejá-la. Essa força cria um torque sobre o eixo da porca, que tende a girar este eixo.

Um motor aeronáutico funciona da mesma forma. Ele cria torque e o usa para girar a hélice.

Vetor

É uma grandeza matemática que possui intensidade, direção e sentido. Na física serve para representar grandezas como as forças. É representado por uma seta onde o seu tamanho representa a intensidade, a direção é o ângulo formado entre o vetor e a horizontal e o sentido representado de onde está para onde vai, como exemplo, sentido norte – sul ou de A para B no exemplo ao lado.

Os vetores possuem uma componente vertical e outra componente horizontal. Podemos trabalhar com as componentes e com os vetores de duas formas, mencionadas a seguir.

Decomposição de vetores

É um método usado para determinar as componentes de um vetor. A partir de um vetor qualquer, chamado de vetor resultante, traçamos uma linha pontilhada até a linha da vertical e outra até a linha da horizontal. Com isso obtém-se os vetores componentes. 

Composição de vetores

Serve para determinar a resultante de vários vetores. A figura abaixo mostra um método para se fazer a composição dos ventos produzidos pelos ventiladores a fim de determinar a intensidade, direção e sentido do vento resultante.

Para encontrar a intensidade do vetor resultante nesse caso deve-se utilizar a fórmula do teorema de Pitágoras.

Comprimentos e distâncias

Trata-se do espaço contido entre dois pontos ou lugares.

Em aviação, os comprimentos e distâncias são indicados em unidades métricas como o metro e o quilometro, mas também são usadas medidas inglesas como o pé, a milha terrestre e a milha marítima. Veja abaixo as principais conversões das unidades.

• Um pé equivale a 30,48 cm
• Uma milha terrestre equivale a 1,609 Km
• Uma milha terrestre equivale a 1,853 Km

Energia

É a capacidade de algo realizar trabalho, ou seja, gerar força num determinado corpo, substância ou sistema físico.

Existem muitos tipos de energia. Como a energia térmica, calorifica, elétrica etc. Uma característica da energia é que ela não é criada do nada e nem destruída. Ela é sempre transformada a partir de outro tipo de energia.

Dessa forma as energias vão sendo transformadas de um tipo para outro. Por exemplo, a energia elétrica que chega na sua casa não é simplesmente criada do nada. Ela veio da transformação da energia mecânica do movimento dos rios ou do sol. Essa energia elétrica pode ainda ser transformada em outros tipos de energia como a energia luminosa, calorifica, sonora e etc.

Dois tipos de energia são extremamente importantes para o nosso estudo, são elas a energia cinética e a energia potencial.

Vamos estudar cada uma delas separadamente.

Energia cinética

A energia cinética é a energia que está relacionada com o estado de movimento de um corpo. Este tipo de energia é uma grandeza escalar que depende da massa e do módulo da velocidade do corpo em questão. Quanto maior a velocidade do corpo, maior é a energia cinética. Quando o corpo está em repouso, ou seja, a velocidade é nula, a energia cinética também é nula.

Energia potencial

A energia potencial pode ser dividida em outras duas, a energia potencial gravitacional e energia potencial elástica.

Energia potencial gravitacional

É a energia contida num corpo em posição elevada. Em outras palavras é a energia que pode ser armazenada em um sistema físico e tem a capacidade de ser transformada em energia cinética. Conforme o corpo perde energia potencial ganha energia cinética e vice-e-versa.

No exemplo acima temos o menino em duas situações. Em posição elevada, onde ele armazena energia potencial e após iniciar o movimento onde ele armazena energia cinética.

Observa-se que a energia potencial inicial é transformada em energia cinética.

Quando o menino atinge novamente a posição elevada e encontra-se parado a energia cinética se transforma em energia potencial.

Enegia potencial elástica

Energia potencial elástica é uma forma de energia que está relacionada à elasticidade e à deformação de corpos flexíveis, tais como molas, tiras de borracha, elásticos etc.

Quando aplicamos força em corpos elásticos, eles se deformam, passando a estocar energia potencial elástica. Caso cesse a força, a energia potencial elástica será convertida em energia elástica.

Observe a imagem abaixo, ao esticar o elástico do arco e flecha o sistema passa a armazenar energia potencial elástica. Ao solta o elástico a flecha, que possui energia cinética nula, será lançada e ao entrar em movimento passara a ter energia cinética, proveniente da energia potencial elástica.

Leis de Newton

Primeira lei de Newton

Todo corpo tende a permanecer em repouso ou em movimento uniforme, a menos que uma força atue sobre ele. Essa tendência chama-se inércia. Com isso podemos concluir que um corpo só altera seu estado de inércia se alguém ou alguma coisa aplicar nele uma força resultante diferente de zero.

Segunda lei de Newton

Quando aplicamos uma mesma força em dois corpos de massas diferentes observamos que elas não produzem acelerações iguais. A 2ª lei de Newton explica isso dizendo que a Força é sempre diretamente proporcional ao produto da aceleração de um corpo pela sua massa, temos, portanto, a seguinte formula para representar a segunda lei de Newton.

Onde “F” é resultante das forças aplicadas num corpo, “m” a massa do corpo e “a” é a aceleração do corpo.

Terceira lei de Newton

Quando uma pessoa empurra uma caixa com uma força F, podemos dizer que esta é uma força de ação, mas conforme a 3ª lei de Newton, sempre que isso ocorre, há uma outra força com módulo e direção iguais porem com sentido oposto a força de ação, esta é chamada força de reação.

Este é o princípio da ação e reação, cujo enunciado é:

“As forças atuam sempre em pares, para toda força de ação, existe uma força de reação.”

Vento relativo x vento absoluto

Fluido e atmosfera

Fluido é todo corpo que não possui forma fixa, assumindo assim a forma do corpo que o contém. Existem dois tipos de fluidos encontrados na natureza: os líquidos e os gases.

Densidade

É uma Grandeza Física responsável por medir a concentração de massa em um determinado volume, ou seja, é a massa por unidade de volume. Como o volume de uma dada massa de gás é variável, a densidade também varia na razão inversa do volume.

Temperatura

É o grau de agitação das moléculas de um corpo. Pode ser medida através de termômetros que podem ser graduados em diversas escalas.

Pressão

Força que é exercida sobre uma determinada área. A fórmula da pressão é a mostrada a seguir.

Lei dos gases

É a lei da física que descreve a forma pela qual variam a pressão, a densidade e a temperatura de um gás. Vejamos abaixo:

Mantendo a Densidade constante

A pressão aumenta proporcionalmente à temperatura. É o que acontece com uma panela de pressão. Quando fechamos a panela estamos criando uma forma de manter a densidade dentro da panela constante e ao colocar essa panela no fogo a temperatura aumentará e consequentemente a pressão também.

Mantendo a pressão constante

A densidade diminui proporcionalmente ao aumento da temperatura.

Temperatura constante

A densidade aumenta proporcionalmente à pressão.

Atenção!!

Os parâmetros atmosféricos diminuem à medida que a altitude aumenta, porem isso ocorre até uma determinada altitude.

Além da altitude a umidade também diminui a densidade do ar porque o vapor de água é menos denso que o oxigênio e o nitrogênio.

Condições ideais para pouso e decolagem

Todas as condições que aumentam a densidade do ar são condições ideais para pousos e decolagens, são elas:

• Pressão alta
• Temperatura baixa
• Umidade baixa

Atmosfera padrão

Devido a constante mudança nos valores dos parâmetros atmosféricos foi necessário a padronização para facilitar o estudo e a construção de aeronaves e motores.

A atmosfera padrão é também chamada de Atmosfera Padrão ISA e é a atmosfera predominante na aviação, definida pela OACI.

São adotados os seguintes parâmetros ao nível do mar.

• Pressão: 1013 hPa, 2992 Pol ou 760 mm de mercúrio.
• Densidade: 1,225kg/m3
• Temperatura: 15°C

Para a construção de aeronaves e motores os fabricantes baseiam-se na atmosfera padrão para impor a performance e limitações para operação.

Escoamento

O movimento de um fluido gasoso ou líquido é denominado escoamento, o qual pode ser de dois tipos, conforme mostrado abaixo.

Os fluidos sempre se movimentam dentro de uma canalização, o qual damos o nome de tudo de escoamento. O qual pode ser real ou imaginário.

No exemplo da mangueira, quando a água ainda se encontra dentro da mangueira dizemos que ela está escoando por um tudo real. Quando ela sai da mangueira passa a escoar por um tudo imaginário.

Equação da continuidade

É uma lei física que afirma que quanto mais estreito for o tubo de escoamento, maior será a velocidade do fluido e vice-versa.

Nesse caso V2 é maior do que V1. Isso ocorre devido ao estreitamento do tudo de escoamento.

Pressão estática, dinâmica e total

Pressão estática

É aquela que não depende do movimento de um fluido, tal como a pressão exercida pela atmosfera ou a pressão dentro de um pneu.

Pressão dinâmica

É uma pressão gerada pelo movimento, portanto depende da velocidade, tal como o impacto do ar sobre uma aeronave.

Pressão total

Nada mais é do que a soma da pressão dinâmica com a pressão estática.

Efeito Coanda

É a tendência que o fluxo de um fluido tem de aderir à superfície convexa ao longo da qual ele está fluindo, mesmo quando essa superfície deflexiona a parte da trajetória de fluxo original.

Observe que a água da torneira quando em contato com a superfície convexa da colher tende a se colar com essa superfície alterando o seu movimento inicial.

Esse efeito também ocorre nas asas dos aviões quando esses estão em movimento.

Observe que o vento relativo se mantém em contato com o perfil da asa através do efeito coanda.

Teorema de Bernoulli

É uma importante lei da mecânica dos fluidos que pode ser definida nos seguintes termos.

“UM AUMENTO NA VELOCIDADE DE UM FLUIDO EM ESCOAMENTO CAUSA UMA REDUÇÃO NA PRESSÃO ESTÁTICA E UM AUMENTO NA PRESSÃO DINÂMICA.”

Esse teorema, em partes, é o responsável pelo voo de um avião, veremos mais a diante que é através dele que um avião adquire a força necessária para levantar voo.

Portanto é essencial que essa definição esteja em sua mente.

Tubo de Venturi

O tubo de Venturi é um instrumento que prova o teorema de Bernoulli

Vimos anteriormente que no estreitamento ocorre um aumento de velocidade e de acordo com o teorema de Bernoulli um aumento de velocidade causa uma diminuição da pressão estática. Observe no instrumento como a pressão diminuiu no estreitamento quando a velocidade do líquido aumentou. Dessa forma, o tubo de Venturi é um equipamento que prova o teorema de Bernoulli.

Caro aluno, até aqui foi apresentado conceitos básicos de física que vão te ajudar a entender muita coisa que vai ser apresentado em teoria de voo. Como disse no início o objetivo desse capítulo é apenas trazer conceitos básicos, caso você sinta a necessidade de aprofundar os conhecimentos na física, será necessário um estudo mais aprofundado em livros específicos desse assunto.

Você agora está pronto para ingressar no mundo fascinante da teoria de voo e entender como um avião voa, quais as forças que atuam sobre ele e quais as características em diversas fases do voo. Sejam muito bem vindos a matéria de teoria de voo.