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    30 de maio de 2010

    O que faz o avião voar


    Fundamentos físicos

    O principal obstáculo nas primeiras tentativas para colocar um avião no ar era o seu peso, uma força causada pela gravidade, mas com alguns diferentes formatos na aerodinâmica dos corpos, conseguiu-se controlar este problema, de forma artesanal no início.
    (veja o especial sobre o 14-bis).

    Nos estudos e pesquisas feitos pelos cientistas das várias épocas, verificou-se que o ar, fluído que será responsável para sustentar uma aeronave em vôo é composto de alguns elementos, entre eles, nitrogênio, oxigênio e água, com isto podendo sofrer alterações em grandezas como a densidade, temperatura e pressão. 


    Estas mudanças na atmosfera estão relacionadas entre as diferenças de temperatura e pressão entre as várias massas de ar que circulam, originando deslocamentos das camadas, dando início aos ventos, que poderão ser úteis ou desfavoráveis ao vôo. As grandezas vetoriais e escalares estão presentes neste assunto, sendo as forças, todas vetoriais, incluindo as velocidades, pressões e acelerações, já as escalares, compostas da massa, das temperaturas e densidades. 

    Quando um avião tem o vento a seu favor, temos uma soma vetorial, ou vice-versa, com isto, os vetores são amplamente utilizados, originando todo tipo de resultantes, sejam elas verticais, como peso e sustentação, que será vista posteriormente no ítem das forças, ou horizontais, como a tração e a resistência do ar, quando o avião está em vôo com velocidade constante, a soma de todas as suas forças é nula.

    O empuxo, visto em hidrostática, também é bem utilizado, porém tendo como fluído, o ar, pois o deslocamento de ar para trás irá causar uma força para frente, então o empuxo, já relacionando com a 3º lei de Newton, lei da ação e reação (para toda força existe uma outra de mesma direção, mesmo módulo e sentido contrário). 


    A temperatura é uma grandeza escalar muito importante, sendo muito variável, sabemos que quanto mais alto estivermos em relação ao nível do mar, menor será seu valor, o mesmo acontece com a densidade do ar, pois quanto maior a altitude, ficará mais rarefeito alterando nas forças relacionadas no vôo, pois altera diretamente a resistência do ar, quanto ao avanço de um corpo.

    Forças


    Existem quatro forças básicas presentes no vôo: 

    Sustentação - quando um avião se desloca pelo ar, ocorre um fenômeno na sua asa que irá produzir uma força para cima, sentido inverso ao peso. O perfil da asa ou aerofólio tem comprimentos diferentes na parte superior (extradorso) e na parte inferior (intradorso) devido ao seu formato, possibilitando que duas partículas de ar percorrendo tais comprimentos ao mesmo tempo, conseqüentemente tenham velocidades diferentes. 


    A física explica que o aumento da velocidade de um fluído pelas paredes de um tubo, provoca um aumento da pressão dinâmica (ar em movimento) e uma diminuição da pressão estática (ar em repouso), originando uma força. Então, tal diferença de pressões estáticas será a responsável por criar uma força perpendicular a superfície da asa, chamada de Resultante Aerodinâmica, agindo no chamado centro de pressão, tendo como sua componente vertical, a força de Sustentação. 

    A figura abaixo nos mostra o deslocamento das partículas de ar, partindo do bordo de ataque (frente do perfil) e chegando ao mesmo no bordo de fuga (traseira do perfil) resultando no aparecimento de uma força que compensará o peso da aeronave.
    Deslocamento das partículas de ar ao mesmo tempo no intradorso e extradorso.


    O perfil da asa pode formar um ângulo imaginário com a direção horizontal, chamado ângulo de ataque, que poderá aumentar a força de sustentação e ao mesmo tempo, aumentar a força de resistência do ar, fazendo com que o avião tenha menor velocidade, então quando observamos aeronaves nos céu da cidade fazendo procedimento de aproximação, estas estão com um maior ângulo de ataque, então com pouca velocidade. Quando aumenta-se demais este ângulo, aumentamos também a resistência do ar, na mesma proporção, diminuindo muito sua velocidade, com isto o avião pode perder instantaneamente sua sustentação, entrando em estol (perda total da sustentação em vôo). 
    O ângulo de ataque da asa.

     
    Arrasto - é uma força aerodinâmica devido à resistência do ar, que se opõe ao avanço de um corpo. Essa força depende de alguns fatores como a forma do corpo, a sua rugosidade e o efeito induzido resultante da diferença de pressão entre a parte inferior e superior da asa. Então podemos dividi-lo em três ítens:

    - Arrasto de atrito: está relacionado com as características da superfície, sendo ela lisa ou áspera. Quanto mais próximo dela, o ar forma uma camada limite, no qual se move de forma laminar se a superfície for lisa, do mesmo jeito que a fumaça sai do cigarro, porém se a mesma for rugosa ou áspera, ocorrerá um fluxo de ar turbilhonado aumentando o arrasto. Atualmente, as aeronaves são feitas de material mais liso na sua área externa, possibilitando mais economia e melhor rendimento em vôo.

    - Arrasto de forma: está relacionado com a área, na qual o ar colide de frente, e ocorre a chamada deflexão (desvio do ar pelo obstáculo). A maior ou menor facilidade de um corpo se deslocar em determinado fluído chama-se aerodinâmica, então 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. O arrasto de forma depende de alguns fatores como a densidade do ar, velocidade e área frontal do corpo.


    - Arrasto induzido: está relacionado com 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 um turbilhonamento na ponta da asa, com isto provocando uma resistência ao avanço do avião e diminuindo a sustentação. Existem alguns dispositivos para corrigir este problema como os Winglets, localizados nas pontas das asas, principalmente em aviões mais modernos, que impedem a passagem de ar de cima para baixo. 

    Tração - é uma força responsável por impulsionar a aeronave para frente, sendo originada de algum tipo de motor. Atualmente, a aviação está servida de motores convencionais, a quatro tempos e motores a reação, utilizando-se de turbo-jatos e turbo-fan. 

    - Motores convencionais: utilizam-se basicamente da mesma tecnologia dos motores dos carros modernos, ou seja, o sistema quatro tempos, utilizando-se de um número variável de cilindros onde será gerada a energia necessária para movimentar a hélice que impulsionará o avião a frente. Uma mistura de ar e combustível, normalmente utilizado uma gasolina especial, é preparada no carburador e emitida para a câmara de combustão, dentro do cilindro, pela válvula de admissão, movimentando o pistão para baixo, e transferindo todo movimento para o eixo de manivelas, ligado a hélice. Após, o pistão sobe e comprime a mistura, a qual receberá uma centelha de um dispositivo chamado vela, provocando uma combustão e um aumento da pressão da mistura e uma conseqüente expansão, forçando o pistão para baixo. Depois, os gases finais são expelidos pela válvula de escapamento, e o ciclo continua, para que o avião mantenha a força de tração.

    Devido ao avanço da tecnologia, alguns aviões a hélice utilizam um sistema que adiciona uma turbina, recebendo o nome de turbo-hélice.

    - Motores à reação: funciona de acordo com a terceira lei de Newton, ação e reação, onde a ação se situa na expulsão dos gases para trás, provocando a reação do deslocamento do avião para frente.

    O sistema em si, utiliza-se de um conjunto de pás na parte da frente, formando o primeiro compressor e a parte de traz, segundo compressor da turbina, e no meio contendo uma câmara de combustão, onde se dará a queima da mistura de ar comprimido com o combustível, normalmente querosene, que aumentará ainda mais a pressão dos gases originando uma saída dos mesmos muito forte. Neste caso, está presente a força de empuxo devido ao deslocamento dos gases.

    Normalmente, as aeronaves maiores são servidas de dois, três ou quatro motores a reação, atingindo grandes velocidades e voando em grandes altitudes. Devido à economia de combustível e ao avanço da tecnologia, os grandes jatos estão sendo dotados de não mais que duas grandes turbinas.
      King Air com turbo-hélice (esq.) e Airbus A320 com motor à reação


    Peso - está relacionado com a força da gravidade, a qual atrai todos os corpos que estão no campo gravitacional terrestre. Não existe nenhuma forma de alterar esta força, então é preciso cada vez mais aperfeiçoar as aeronaves, para sempre respeitar as leis da natureza.


    O peso é um fator muito importante nas operações de pouso e decolagem, pois um avião muito pesado irá precisar de maior comprimento de pista para decolar, para conseguir velocidade suficiente visando a sustentação para anular o peso, sendo assim, aviões maiores são impedidos de operar em certos aeroportos. O mesmo acontece na aterrisagem, pois deve-se respeitar a lei da inércia.

    Curiosidades

    O avião utiliza-se de outras superfícies fixas além das asas para manter o vôo, sendo elas, os estabilizadores horizontais e verticais localizados na cauda do aparelho. O estabilizador horizontal tem a função de evitar que o avião gire em torno do eixo das asas, nem baixando, nem levantando o nariz do avião. Já o vertical tem a função de evitar a guinada do aparelho, giro em torno de seu eixo vertical.

    Além das superfícies fixas, a aeronave possui também as móveis, chamadas superfícies de comando que irão dominar o avião em vôo como os ailerons, leme de direção e profundores. Os primeiros, ailerons, tem a função de girar o avião em torno do nariz, proporcionando a aeronave executar curvas de maneira correta auxiliada do leme de direção. Já os profundores, são responsáveis por baixar ou subir o nariz da aeronave. A outra superfície móvel, também localizada na cauda do avião é o leme de direção, que controla o movimento em torno do eixo vertical.
    Existem também as superfícies que auxiliam em vôo e em terra (decolagem e aterrisagem da aeronave). Estas são os flaps ou slats e spoilers que tem as suas finalidades específicas. Os flaps ou slats, localizados no bordo de fuga da asa, acionados para baixo, tem a função de aumentar a área de superfície da mesma. Eles aumentam a sustentação e o arrasto, diminuindo a velocidade. 

    Estas superfícies são normalmente usadas em baixa velocidade, originando o chamado vôo reduzido ou nos procedimento de aproximação e pouso. As vezes, os flaps são utilizados em decolagens, em pistas curtas, originando uma área de asa maior, possibilitando menor velocidade para sair do solo. Eles podem também atuar como freios aerodinâmicos, pois colaboram com a maior desaceleração

    Já os spoilers, pertencentes aos grandes jatos, localizados na parte superior da asa e no bordo de fuga, acionados para cima, atuam em conjunto com os ailerons na execução das curvas em algumas aeronaves.funcionam, na perda de sustentação, quando necessário e na redução de velocidade, acionados normalmente nas descidas e nas aterrisagens. Finalmente, os slots, são fendas localizadas no bordo de ataque, que aumentam a curvatura, sem aumento de área, possibilitando uma maior força de sustentação.

    Efeitos da altitude

    É sabido que a densidade do ar é diretamente proporcional a força de sustentação e inversamente com o aumento da altitude. Então a aeronave tem que compensar este problema com uma velocidade aerodinâmica maior. Por exemplo, quando temos dez partículas de ar próximo ao solo, numa altitude muito maior, elas estarão mais separadas, fazendo com que a aeronave se desloque mais, para vencer as partículas. Por isso que a preferência para os jatos são as grandes altitudes, para viajarem, proporcionando economia de tempo e combustível.

    Aviação militar
     
     A maioria dos aviões são jatos supersônicos, que podem voar a velocidades maiores que a do som. Para isso, precisam de características aerodinâmicas que diminuam o arrasto, sem perda de sustentação. Estas aeronaves possuem normalmente um formato de flecha, que irá diminuir a área de resistência aerodinâmica, também possuem o perfil da asa com pequena espessura, precisando de maior velocidade para manter a sustentação. Devido a tudo isto, eles são munidos de motores a reação (turbinas) muito potentes.

    Aviação comercial

    A aviação comercial teve grande impulso a partir dos aviões que foram construídos na segunda guerra mundial, como o famoso DC-3, feito para o transporte de soldados. Nesta época, ele foi construído em grande quantidade. Após este tempo, foi feita a adaptação para o transporte de civis. 
     
    Com o avanço da tecnologia e a necessidade de aproximar os continentes, grandes empresas aeronáuticas, principalmente americanas e européias, como a Boeing e a Airbus, começaram a desenvolver grandes aviões com motores a reação para o transporte de passageiros. Graças a tudo isto ficou mais fácil atravessar os oceanos e os continentes. Estes aviões voam a grandes altitudes para economizar tempo e combustível atingindo velocidades próximas à do som ( 80% a 90% da velocidade do som).

    Tráfego aéreo

    Nos dias de hoje, a circulação de aviões é muito intensa, obrigando que vários órgãos em terra organizem o trânsito das aeronaves no ar e no solo. Quando um avião parte de um ponto para outro, o piloto precisa ter um plano de vôo que terá as informações sobre rotas a tomar e informes meteorológicos da origem e do destino, que serão importantes para a segurança de vôo.

    Normalmente, cada região do país tem um órgão referencial que controlará os aviões em vôo, sabendo o ponto certo onde estão, tudo isso devido a informações de radares e de satélites. Quando a aeronave está próxima da origem ou do destino, ela é controlada pelo controle de aproximação ou pela torre de controle do aeroporto. Em alguns, o tráfego aéreo é tão intenso, que em uma mesma reta de aproximação para pouso, é possível que haja vários aviões.


    Fonte: Institudo de Física da UFRGS

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    1 comentários:

    Item Reviewed: O que faz o avião voar Rating: 5 Reviewed By: Marcello Borges
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