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O que faz o avião voar

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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.

  • 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


    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

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