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 Vôo do 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.
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
Avião de caça F-16 Falcon da Força Aérea
dos Estados Unidos (USAF)
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.
Boeing 777, um dos mais
modernos aviões comerciais
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