Aerodinamica (avião)

Aerodinamica (avião)

(Parte 1 de 11)

CAPÍTULO 13

Numerosos textos compreensivos foram escritos sobre a aerodinâmica, envolvida no vôo de uma aeronave. Entretanto, é desnecessário que um mecânico esteja totalmente versado sobre a matéria. O que ele precisa é entender a relação entre a atmosfera, a aeronave e as forças que agem no vôo da mesma; de forma a tomar decisões inteligentes que afetem a segurança de vôo, tanto de aviões quanto de helicópteros.O mecânico precisa saber porque a aeronave é projetada com um tipo particular de sistema de controle primário ou secundário e porque as superfícies têm que ser aerodinamicamente regulares. Tudo isto se torna essencial ao se fazer a manutenção das complexas aeronaves de hoje.

A teoria de vôo relaciona-se com a aerodinâmica. O termo aerodinâmica é derivado da combinação de duas palavras gregas "AER", significando ar; e "DYNE", significando força (de potência) . Assim, quando juntamos aero e dinâmica, temos aerodinâmica, significando o estudo dos objetos em movimento através do ar, e as forças que produzem ou mudam tal movimento.

A aerodinâmica estuda a ação do ar sobre um objeto.

Ela é, além disso, definida como aquele ramo da dinâmica, que trata do movimento do ar e de outros gases, com as forças agindo sobre um objeto em movimento através do ar, ou com um objeto que esteja estacionário na corrente de ar. De fato a aerodinâmica está relacionada com três partes distintas. Essas três partes podem ser definidas como a aeronave, o vento relativo e a atmosfera.

A atmosfera

Antes de discutir os fundamentos da teoria de vôo, existem diversas idéias básicas que devem ser consideradas:

-Uma aeronave opera no ar, portanto, as propriedades do ar que afetam o controle e o desempenho de uma aeronave, devem ser entendidos;

-O ar é uma mistura de gases composta principalmente de nitrogênio e oxigênio. Uma vez que o ar é uma combinação de gases, ele segue suas próprias leis;

-O ar é considerado um fluido, ele define uma substância, que pode fluir ou trocar sua forma através da aplicação de uma pressão moderada;

-O ar tem peso, uma vez que qualquer coisa mais leve que ele, como um balão cheio de hélio irá subir no ar.

Pressão

Quanto mais fundo um homem mergulhar, maior será a pressão agindo sobre seu corpo, devido o peso da água. Uma vez que o ar também tem peso, quanto maior a profundidade da superfície externa da atmosfera, maior a pressão. Se uma coluna de ar de uma polegada quadrada, estendendo-se do nível do mar ao "topo" da atmosfera pudesse ser pesada, poderia ser encontrado o peso de cerca de 14,7 libras. Dessa forma, a pressão atmosférica ao nível do mar é de 14,7 libras por polegada quadrada. Contudo, libra por polegada quadrada é uma unidade grosseira para a medição de uma substância tão leve quanto o ar. Por isso, a pressão atmosférica é geralmente medida em termos de polegada de mercúrio.

Um dispositivo para medição da pressão atmosférica é mostrado na figura 13-1.

Figura 13-1 Medida da pressão atmosférica.

Um tubo de vidro com 36 polegadas de comprimento, aberto em uma das extremidades e fechado na outra, é cheio com mercúrio; a extremidade aberta é selada temporariamente e, então, mergulhada em um recipiente parcialmente cheio de mercúrio, onde, logo após, a extremidade é aberta. Isso permite que o mercúrio do tubo desça, deixando um vácuo no topo do tubo. Parte do mercúrio flui para o recipiente, enquanto outra parte permanece no tubo. O peso da pressão atmosférica sobre o mercúrio no recipiente aberto, contrabalança o peso do mercúrio no tubo, o qual não tem a pressão atmosférica agindo sobre ele devido ao vácuo no topo do tubo. Na medida em que a pressão do ar ao redor aumenta ou diminui, a coluna de mercúrio corresponde descendo ou subindo. Ao nível do mar a altura do mercúrio no tubo mede aproximadamente 29,92 polegadas, embora varie suavemente com as condições atmosféricas.

Uma consideração importante é a de que a pressão atmosférica varia com a altitude. Quanto mais alto um objeto estiver em relação ao nível do mar, menor será a pressão. Diversas condições atmosféricas têm uma relação definida com o vôo. O efeito da temperatura, da altitude e da densidade do ar sobre o desempenho de uma aeronave é discutido nos parágrafos seguintes.

Densidade

Densidade é um termo que significa peso por unidade de volume. Uma vez que o ar é uma mistura de gases, ele pode ser comprimido. Se o ar em um recipiente estiver sob metade da pressão do ar em outro recipiente idêntico, o ar sob a pressão mais elevada pesa duas vezes mais que aquele do recipiente sob menor pressão. O ar sob maior pressão, tem duas vezes a densidade daquele no outro recipiente. Para pesos iguais de ar, aquele sob maior pressão ocupa apenas metade do volume do outro, sob metade da pressão. A densidade dos gases é governada pelas seguintes regras: 1) A densidade varia em proporção direta com a pressão. 2) A densidade varia inversamente com a temperatura.

Assim, o ar em grandes altitudes é menos denso do que em pequenas altitudes, e a massa de ar quente é menos densa que a massa de ar frio. Mudanças na densidade afetam a performance aerodinâmica da aeronave. Com a mesma potência, uma aeronave pode voar mais rápido a grandes altitudes onde a densidade é menor, que a baixas altitudes onde a densidade é alta. Isso se deve ao fato de que o ar oferece menos resistência à aeronave, quando ele contém menor número de partículas por volume.

Umidade

Umidade é a quantidade de vapor d'água no ar. A quantidade máxima de vapor que o ar pode absorver varia com a temperatura. Quanto mais elevada a temperatura do ar, mais vapor d'água ele pode absorver. O vapor d'água pesa aproximadamente cinco oitavos a mais que a mesma quantidade de ar perfeitamente seco. Dessa forma, quando o ar contém vapor d'água ele não é tão pesado quanto o ar que não contém umidade.

Considerando-se que a temperatura e a pressão permanecem as mesmas, a densidade do ar varia inversamente com a umidade. Nos dias úmidos a densidade do ar é menor que nos dias secos. Por essa razão, uma aeronave requer uma pista mais longa para decolagem nos dias úmidos que nos dias secos.

Princípio de Bernoulli e fluxo subsônico

O princípio de Bernoulli estabelece que, quando um fluido (ar), passando por um tubo, atinge uma restrição ou estreitamento desse tubo, a velocidade do fluido que passa por essa restrição é aumentada e sua pressão reduzida.

O lado arqueado (curva) da superfície de um aerofólio (asa) afeta o fluxo de ar, exatamente como acontece com um estrangulamento em um tubo. O diagrama "A" na figura 13-2 ilustra o efeito do ar que passa através de uma restrição ou estrangulamento em um tubo.

Em "B" o fluxo de ar passa por uma superfície curva, tal qual um aerofólio, e o efeito é similar àquele que passa por um estrangulamento.

Na medida em que o ar flui sobre a superfície superior de um aerofólio, sua velocidade aumenta e sua pressão diminui. Uma área de baixa pressão é assim formada.

Figura 13-2 Princípio de Bernoulli.

Existe uma área de maior pressão na superfície inferior do aerofólio, e essa pressão maior tende a mover a asa para cima. Essa diferença de pressão, entre as superfícies superior e inferior da asa, é denominada sustentação. Três quartos da sustentação total de um aerofólio, é o resultado de uma redução de pressão sobre a superfície superior. O impacto do ar sobre a superfície inferior de um aerofólio produz um quarto (o que falta) da sustentação total.

Uma aeronave em vôo está sob a ação de quatro forças: 1) Gravidade ou peso, que puxa a aeronave para baixo. 2) Sustentação, força que empurra a aeronave para cima. 3) Empuxo, força que move a aeronave para frente. 4) Arrasto, a força que exerce a ação de um freio.

Movimento é o ato, ou processo, de troca de lugar ou posição. Um objeto pode estar em movimento, em relação a um objeto e, parado, em relação a outro. Por exemplo, uma pessoa sentada na poltrona de uma aeronave, a 200 nós, está parada em relação a essa aeronave; contudo, a pessoa está em movimento em relação ao ar ou a terra, da mesma forma que a aeronave. O ar não tem força ou potência, exceto pressão, a não ser quando ele está em movimento. Quando em movimento, no entanto, sua força se torna evidente. Um objeto em movimento no ar inerte, tem uma força exercida sobre ele, como resultado do seu próprio movimento. Não faz diferença no efeito, se o objeto está se movendo em relação ao ar ou se o ar está se movendo em relação ao objeto.

O fluxo de ar em volta de um objeto, causado pelo movimento do ar ou do objeto, ou de ambos, é chamado de vento relativo.

Velocidade e aceleração

Os termos "SPEED"e "VELOCITY" são freqüentemente usados com o mesmo sentido, porém eles não têm o mesmo significado. O primeiro, é a razão de movimento, enquanto o segundo, é a razão de movimento em uma direção particular em relação ao tempo.

chamada de desaceleração)

Uma aeronave parte de Nova York e voa dez horas a uma "SPEED" média de 260 milhas por hora. ao termino desse tempo a aeronave pode estar sobre o oceano Atlântico, oceano Pacífico, golfo do México, ou se o seu vôo fosse circular, ele poderia estar de volta a Nova York. Se essa mesma aeronave voasse à velocidade de 260 milhas por hora na direção para o sudoeste, ele chegaria em Los Angeles em cerca de dez horas. Apenas a razão de movimento está indicada no primeiro exemplo e denota a "SPEED" da aeronave. No último exemplo, a direção particular está incluída na razão de movimento, denotando, assim, a velocidade da aeronave. Aceleração é definida como a razão de troca de velocidade. Um aumento na velocidade da aeronave é um exemplo de aceleração positiva, enquanto a redução de velocidade em outra aeronave é um exemplo de aceleração negativa. (a aceleração negativa é Lei do movimento de Newton

A lei fundamental que governa a ação do ar numa asa é a lei do movimento de Newton.

A primeira lei de Newton é normalmente conhecida como lei da inércia. Ela quer dizer simplesmente, que um corpo em repouso não se moverá, a menos que uma força seja aplicada a ele. Se ele estiver se movendo a uma velocidade uniforme e em linha reta , para que sua velocidade seja alterada, é necessário que uma força a ele seja aplicada.

Uma vez que o ar tem massa, ele constitui um "corpo" de acordo com a lei. Quando uma aeronave está no solo, com os motores parados, a inércia mantém a aeronave em repouso.

Uma aeronave sai do seu estado de repouso através da força de empuxo criada pela hélice, pela expansão dos gases de escapamento, ou por ambos. Quando ela está voando em linha reta e à velocidade constante, a inércia tende a mantê-la em movimento. Uma força externa é requerida para mudar a atitude da aeronave.

A segunda lei de Newton, àquela da força, também se aplica aos objetos. Essa lei estabelece que, se uma força externa age sobre um corpo, que se move com velocidade constante, a alteração do movimento ocorrerá na direção de atuação da força. Essa lei pode ser representada matematicamente da seguinte forma.

Força = massa x aceleração (F=m.a)

Se uma aeronave estiver voando com um vento de proa, sua velocidade diminuirá. Se o vento for lateral, haverá uma tendência de empurrar a aeronave para fora do seu curso, a menos que o piloto tome uma ação corretiva contra a direção do vento.

A terceira lei Newton, é a lei da ação e reação. Essa lei estabelece que para toda ação (força) existe uma reação, igual e contrária (força). Essa lei é bem ilustrada pela ação das mãos de um nadador. Ele empurra a água para trás, sendo dessa forma impulsionado para frente, uma vez que a água resiste a ação de suas mãos. Quando a força de sustentação sob a asa de uma aeronave se iguala à força da gravidade, a aeronave mantém o seu nível de vôo.

As três leis de movimento, amplamente discutidas, estão relacionadas e aplicadas à teoria de vôo. Em muitos casos as três leis podem estar atuando ao mesmo tempo em uma aeronave.

Um aerofólio é uma superfície projetada para obter uma reação desejável do ar, através do qual esse aerofólio se move. Assim, podemos dizer que, qualquer peça de uma aeronave, que converta a resistência do ar em força útil ao vôo, é um aerofólio.

As pás de uma hélice são então projetadas, de forma que, quando elas giram, suas formas e posições criam uma alta pressão, maior na sua parte traseira que na parte frontal, de forma a impulsionar a aeronave para frente. O perfil de uma asa convencional, mostrado na figura 13-3, é um excelente exemplo de aerofólio. Devemos observar que a superfície superior do perfil da asa tem maior curvatura que a superfície inferior.

Figura 13-3 Fluxo de ar sobre a seção de uma asa.

A diferença de curvaturas entre as superfícies superior e inferior da asa produz a força de sustentação. O ar que flui na superfície superior da asa tem que alcançar o bordo de fuga da asa no mesmo tempo em que o fluxo na superfície inferior o alcança. Para isso, o ar que passa sobre a superfície superior move-se com maior velocidade que o ar que passa por baixo da asa, devido à maior distância que ele tem que percorrer.

Esse aumento de velocidade, de acordo com o princípio de Bernoulli, significa a correspondente redução da pressão sobre a superfície. Assim, uma pressão diferencial é criada entre as superfícies superior e inferior da asa, forçando a subida da asa na direção da pressão mais baixa.

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