Noções básicas de aerodinâmica

Por diversas vezes ouvi perguntas e comentários de leigos em aviação, fazendo exclamações do tipo: “Nossa! Como pode um avião de 350 toneladas como o Jumbo, voar?” Se estou próximo à pessoa, procuro explicar a ela da maneira mais simples e sucinta possível, já que muitas vezes essa mesma pessoa pode não estar interessada em saber o que é um centro gravitacional ou o que é um eixo longitudinal ou ainda para que serve um Flap, até porque todas essas explicações poderiam durar horas e até dias.

Simplesmente eu digo que aquele avião fora projetado tendo como base pura, a física-aerodinâmica e que, o que o faz voar tão bem, são suas asas e todas as suas superfícies e formas especiais que garantem toda a sustentação necessária ao seu vôo e ainda geram forças e pressões para que o avião possa efetuar curvas, subidas, descidas e etc.

Para um leigo que não se interessa tanto por aviação, uma explicação dessas já é o suficiente. Mas e aqueles que são os verdadeiros aficionados pela aviação e realmente desejam saber mais? Esses sim, merecem uma explicação mais aprofundada sobre o assunto!

Se você é leigo no assunto, mas se interessa e carece por informações mais precisas e aprofundadas, então se prepare, pois depois de ler os parágrafos seguintes, você nunca mais olhará para uma aeronave da mesma forma que antes e também não como as outras pessoas.

Tudo que será citado nesse artigo é perfeitamente aplicável a um aeromodelo seja do tipo e porte que for. A aerodinâmica é a mesma para todo e qualquer corpo que avance no meio em que estamos, ou seja, no ar. Isso também não quer dizer que possamos pegar o exato projeto de um avião real e querer que o nosso aeromodelo voe tão bem como o verdadeiro sem que façamos adaptações para isso. Mas isso são outros quinhentos! Agora vamos ao que interessa!

Princípios básicos da teoria de vôo

Toda e qualquer aeronave, seja do tipo que for, deve possuir no mínimo duas asas e uma fuselagem, sendo que as asas são as responsáveis por gerar a sustentação do avião. Embora outras superfícies do avião também gerem sustentação, as asas são as responsáveis por quase todo o “trabalho”. A fuselagem é o “receptáculo” onde ficam todos os equipamentos necessários ao funcionamento daquela aeronave, bem como seus pilotos, tripulação e passageiros.

Portanto, aqui já eliminamos o famoso mito de que se o motor parar em vôo, o avião pára de voar e cai! Bem, se for uma aeronave monomotora, isto é, de um único motor, é possível “planar”, se houver altura para isso é claro, mantendo-se uma velocidade mínima segura até fazer um pouso de emergência em um local seguro. Se for um bimotor ou maior, ainda é possível voar com um único motor ou com os que sobraram, se as condições estiverem favoráveis a isso, como o tempo, o vento, o peso de vôo e etc.

Forças atuantes:

Em toda aeronave propulsada por no mínimo um motor, atuam quatro forças principais. O peso que é proporcional à massa total da aeronave, a sustentação (gerada pelas asas), a tração (proveniente do empuxo gerado pelo motor) e o arrasto aerodinâmico (resistência do ar). Observe a figura para entender melhor:

Como funcionam as asas?

Na teoria mais didática, desde os primórdios da aviação até hoje, ensina-se a todos e inclusive nas escolas, que as asas devem ser curvadas na parte superior para causar uma maior velocidade no deslocamento de ar acima da asa do que abaixo delas. Essa diferença de velocidade tem como conseqüência uma variação de pressão entre ambas as faces, produzindo uma força procedente de baixo para cima denominada sustentação.

Hoje, entretanto sabemos que, nem todas as asas devem ter necessariamente esse perfil para gerarem a sustentação necessária ao vôo da aeronave. Veremos mais adiante, que existem perfis totalmente simétricos e que geram sustentação mediante o seu ângulo de ataque.

Muitos defendem a lei da ação e da reação para a produção da sustentação. Ou seja, a sustentação é produzida devido ao choque do ar na parte inferior da asa, produzindo uma força de mesma direção e intensidade, porém de sentido oposto. Apesar das discussões, os conteúdos das provas atualmente exigem o conhecimento da primeira teoria.

Os perfis mais comuns são:

Perfil plano-convexo ou assimétrico: É um perfil usado em aviões que necessitam de grande sustentação e possibilita voar em velocidades mais baixas. Esse perfil é aquele já conhecido por todos e que produz grande sustentação, já que embaixo é plano e em cima é curvo, produzindo assim uma diferença na velocidade do ar que passa em cima e do que passa em baixo.

Em cima, por ser curvado, o ar tende a ir mais rápido para poder encontrar ao mesmo tempo no bordo de fuga da asa, o ar que passou por baixo, que passou mais devagar que o de cima, já que o caminho que ele percorreu foi plano e menor.

Essas diferenças de velocidade do ar produzem diferentes pressões atmosféricas, já que o ar que passou mais devagar embaixo, deu lugar a maior pressão atmosférica ao longo de toda a superfície da asa na parte inferior, enquanto em cima da asa a pressão foi menor devido à velocidade do ar ter sido maior. Essa diferença de pressão é exatamente o que produz e o que chamamos de sustentação.

Perfil semi-simétrico: Um perfil que já não é tão destinado a aviões lentos e que necessitam de enorme sustentação. É utilizado, sobretudo por aeronaves mais velozes ou mesmo de grande porte. Também é possível destiná-lo a aviões que se pretenda fazer algo de acrobacia e até mesmo aeronaves de grande porte como, por exemplo, os aviões da linha Boeing.

Por ter a sua parte inferior um pouco curva em relação ao perfil plano-convexo, pode-se dizer que o semi-simétrico embora tenha menor sustentação que o primeiro, ainda é sim um perfil excelente para muitas aeronaves atualmente e também já foi e é muito usado nos bombardeiros militares como prova de sua alta - performance.

Perfil simétrico: Esse perfil desafia os princípios da aerodinâmica e merece uma explicação mais detalhada. Quando surgiu foi marcado por inúmeras discussões a respeito de sua verdadeira eficácia, sendo questionado por milhares de engenheiros e profissionais da aviação do mundo todo.

É usado exclusivamente por aviões destinados à acrobacia aérea. Como o próprio nome já diz, é um perfil que tem sua parte superior e inferior, perfeitamente iguais, ou seja, as curvaturas de baixo e de cima da asa são totalmente iguais, não produzindo assim, sustentação por parte do perfil e sim através do modo que a asa incide em relação ao seu eixo longitudinal.

Para entendermos melhor como esse perfil gera a sustentação capaz de fazer um avião voar, precisamos entender que a incidência, isto é, o ângulo em que a asa penetra em vôo, também chamado de ângulo de ataque, gera um deslocamento de ar no meio em que a asa avança. As figuras a seguir ajudarão a compreender isso:

Na figura, temos a representação de uma placa fixa e inclinada em relação ao vento que incide da esquerda para direita.Podemos observar que a trajetória do vento é significativamente alterada devido à inclinação da placa fixa.

O mesmo ocorre com a asa simétrica de um avião. Quando a asa incide perpendicularmente em relação ao vento relativo, ela muda a trajetória do ar, fazendo com que este seja direcionado para baixo e é aí que entra a lei da ação e da reação.

A pressão que a coluna de ar gera em baixo da asa reage e empurra a asa para cima. Em outras palavras, o princípio é praticamente o mesmo, só o que muda é o modo como obtemos essa diferença de pressão, maior em baixo e menor em cima. É como quando colocamos uma de nossas mãos fechadas para fora do carro em alta velocidade e a mudamos de posição, logo verificamos que a nossa mão tende a ser empurrada por uma grande quantidade de ar, devido à inclinação que provocamos. Desse modo, as asas geram a sustentação suficiente e necessária à aeronave voar.

Devido ao fato de a asa ser perfeitamente simétrica, isto é, neutra, a aeronave que a utiliza, pode perfeitamente realizar uma série de manobras acrobáticas sem que a aerodinâmica do perfil atrapalhe, como vôos invertidos, rolls lentos e etc. Manobras mais difíceis de se realizar com uma aeronave de perfil semi-simétrica ou plano-convexa, por exemplo.

  

Eixos imaginários e centro gravitacional

Toda aeronave possui eixos imaginários de rotação e é em torno deles que ela efetua os giros chamados de rolagem (giro ao redor do eixo longitudinal), arfagem (giro ao redor do eixo transversal) e guinada (giro ao redor do eixo vertical) para assim conseguir mudar sua trajetória em vôo e efetuar curvas, subidas, descidas e muitas outras manobras.

 

O posicionamento desses eixos são distintos para cada aeronave e variam de acordo com um centro chamado gravitacional ou C.G. e que é ele que determina a exata posição onde se cruzarão os eixos do avião. Toda aeronave tem seu centro de equilíbrio ou C.G., assim como qualquer outro corpo, independente de sua massa e tamanho. No caso das aeronaves é neste exato ponto, que ela concentra todo o seu peso em equilíbrio. Sendo assim, qualquer força ou pressão aerodinâmica provocará um giro ao redor deste ponto que é cruzado pelos eixos imaginários do avião.

Os controles de vôo:

Para que uma aeronave consiga efetuar os giros ao redor de seus próprios eixos, são necessários dispositivos que provoquem essas rotações propriamente ditas. Os controles de vôo são os dispositivos móveis (instalados nos bordos de fuga das asas e da cauda) acionados pelo piloto, capazes de provocar diferenças de pressões em locais chaves para que assim possa direcionar a aeronave da forma desejada. Esses comandos são denominados de ailerons, leme e profundor, sendo os dois últimos, respectivamente, localizados na cauda bem como o estabilizador vertical (ou plano de deriva) e horizontal (ou estabilizador) que seguram essas superfícies e também desempenham seu papel aerodinâmico.

Antes de entendermos o que cada superfície de comando faz, é preciso saber que sempre quando acionamos um comando, seja para os lados, para cima ou para baixo, haverá uma diferença de pressão e uma mudança na trajetória do ar sobre e sob aquela superfície.

Observando as figuras seguintes veremos que quando uma superfície de comando se move para baixo, por exemplo, há um aumento de pressão na superfície inferior daquela região da superfície aerodinâmica.

Ailerons: São instalados no bordo de fuga da asa e seu funcionamento é antagônico, isto é, funcionam um, ao contrário do outro, enquanto um sobe, o outro desce e vice-versa. Eles têm por finalidade provocar o giro da aeronave em torno do seu eixo longitudinal, e auxiliar em curvas e manobras. Esse giro recebe o nome de rolagem.

 

Leme: Localizado na cauda, no bordo de fuga do estabilizador vertical, ele proporciona o giro da aeronave em torno de seu eixo vertical. O papel principal do leme é o de direcionar a aeronave e esse movimento ao redor do eixo vertical, denomina-se guinada.

 

Profundor: É instalado na cauda, no bordo de fuga do estabilizador horizontal. Quando acionado, provoca o giro da aeronave em torno de seu eixo transversal com o intuito de fazer a aeronave subir e descer, recebendo assim, o nome de movimento de arfagem.

Flaps ou superfícies Hiper-Sustentadoras:

São instalados no bordo de fuga da asa dividindo espaço com os ailerons. Os flaps só se movimentam para baixo e ficam em neutro, portanto, não se defletem para cima. Quando estão abaixados, aumentam a superfície de contato das asas com o ar e provocam a formação de colchões de ar embaixo da asa, o que aumenta consideravelmente a sustentação. Permitindo assim, um vôo com velocidades bem mais baixas e com maior sustentação, sendo extremamente importante em situações críticas como pousos e decolagens.

Spoilers: Movem-se para cima e em maior deflexão, ao contrário dos Flaps. São verdadeiros freios aerodinâmicos e destruidores de sustentação. Quando os spoilers são acionados pelo piloto, as asas perdem o escoamento aerodinâmico ideal ao vôo e a aeronave também sofre uma imensa desaceleração devido ao enorme arrasto aerodinâmico e turbilhonamento de ar provocados. Formando assim, uma verdadeira “parede” em cima da asa que ajuda a frear a aeronave rapidamente após o toque ao solo no momento da aterrissagem. Somente aviões de grande porte e peso como jatos, aeronaves de passageiros e em alguns casos, alguns planadores, possuem este dispositivo.

Slats e Slots: Principalmente usados em jatos de grande porte e alguns caças onde se tem necessidade de mais sustentação. São as únicas superfícies móveis situadas nos bordos de ataque das asas e que também tem a finalidade de aumentar a sustentação da aeronave. Provocam um desvio de ar que gera uma aceleração do escoamento aerodinâmico na parte superior da asa, diminuindo assim a pressão na parte superior, o que melhora a sustentação das asas. Mas essas são superfícies que merecem uma explicação mais detalhada de seu funcionamento e que serão melhor explicadas em um futuro artigo.

Bem, acredito ter conseguido através deste artigo, fazer com que um leigo entendesse pelo menos o funcionamento básico de uma aeronave. Espero também que todos tenham gostado do artigo e que depois dele consigam enxergar nas aeronaves aquilo que nenhuma outra pessoa leiga no assunto enxerga.

Lembre-se também que “ver” é muito diferente de “enxergar” e que daqui pra frente, você será capaz de entender melhor e interpretar muitos sinais e efeitos que antes passavam batido diante da beleza daquela linda aeronave parada num hangar, taxiando ou mesmo em pleno vôo!