Aerodinâmica


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.

Continua>>>>>