Qual princípio físico da área da mecânica é a base para os estudos aerodinâmicos?

NO��ES GERAIS SOBRE A AERODIN�MICA

NOÇÕES GERAIS SOBRE A AERODINÂMICA

Nesta primeira parte, onde apresentaremos as noções gerais sobre a aerodinâmica, antes de mais nada, torna-se necessário informar ao leitor que, tudo o que for aqui abordado, aplica-se tanto às aeronaves de asa fixa (avião), quanto às aeronaves de asa rotativa (helicópteros). Sendo assim, neste capítulo, as expressões aeronave e avião assumem o mesmo significado. As particularidades entre aviões e helicópteros serão estudadas em capítulos separados.

Sendo assim, é de fundamental importancia que o estudo de qualquer tipo de aeronave, no que diz respeito à aerodinâmica, seja iniciado por este capítulo.

Bons estudos! 

OBJETO DE ESTUDO DA AERODINÂMICA

Quando nos referimos à AERODINÂMICA, é preciso entender que esta é um ramo da física.

Neste trabalho, queremos deixar claro que a palavra AERODINÂMICA origina-se dos seguintes termos: AERO - que significa AR; e, DYNE - que significa força ou potência.

Para nossos objetivos é preciso entender que a aerodinâmica estuda a AÇÃO de um objeto (aeronave, avião, helicóptero) sobre o AR.

Desde logo, precisamos deixar claro que toda e qualquer reação aerodinâmica depende de ar para a sua ocorrência. Aliás, já avançando um pouco, com relação à aviação quanto mais ar, melhor será.

Voltando ... então a aerodiñâmica estuda a AÇÃO do objeto sobre o ar, uma vez que é o objeto que se desloca. Entretanto, devemos nos lembrar da 3ª Lei de Newton (AÇÃO e REAÇÃO), pois, se há ação, deve ocorrer, também, uma reação.

Desta forma, podemos dizer, também, que a aerodinâmica estuda a REAÇÃO do ar sobre o objeto. É mera questão de referencial.

Ou seja:

O AR EXERCE REAÇÃO

A AERONAVE EXERCE AÇÃO

FATORES ATMOSFÉRICOS

Como já afirmamos anteriormente, os fenômenos aerodinâmicos ocorrem dentro da atmosfera, que é a camada de ar que envolve a Terra. E, sendo assim, faz-se necessário o estudo dos fatores atmosféricos, uma vez que são variáveis e condicionantes do melhor ou pior rendimento da aeronave, visto que quanto mais ar disponível, melhor será para o voo propriamente dito.

Aqui  nos prenderemos ao estudo da Pressão Atmosférica, da Temperatura, da Densidade e da Umidade.

Pressão atmosférica é a pressão exercida pela camada de moléculas de ar sobre a superfície.

A grandeza pressão é a força exercida por unidade de área, neste caso a força exercida pelo ar em um determinado ponto da superfície. Se a força exercida pelo ar aumenta em um determinado ponto, conseqüentemente a pressão também aumentará.

A pressão atmosférica é medida por meio de um equipamento conhecido como barômetro.

Essas diferenças de pressão têm uma origem térmica estando diretamente relacionadas com a radiação solar e os processos de aquecimento das massas de ar. Formam-se a partir de influências naturais, como: continentalidade, maritimidade, latitude, altitude... As unidades utilizadas são: polegada ou milímetros de mercúrio (mmHg), quilopascal (kPa), atmosfera (atm), milibar (mbar) e hectopascal (hPa), sendo as três últimas, as mais utilizadas no meio científico. Outra unidade utilizada para se medir a pressão é a PSI (pounds per square inch) que em Português vem a ser libra por polegada quadrada (lb/pol²). Embora comum para medir pressão de pneumáticos e de equipamentos industriais a lb/pol² é raramente usada para medir a pressão atmosférica. Embora o ar seja extremamente leve, não é desprovido de peso. Cada pessoa tem em média uma superfície do corpo aproximadamente igual a 1 metro quadrado, quando adulto. Sabendo que ao nível do mar a pressão atmosférica é da ordem de 1 atm (definida como 101 325 Pa, ou ainda 1013,25 hPa=mbar), isso significa dizer que, neste local, uma pessoa suportaria uma força de cerca de 100 000 N relativo à pressão atmosférica. Porém, não sente nada, nem é esmagada por esta força. Isto acontece devido à presença do ar que está contido no corpo e ao equilíbrio entre a pressão que atua de fora para dentro e de dentro para fora do corpo. Qualquer variação na pressão externa se transmite integralmente a todo o corpo, atuando de dentro para fora, de acordo com o Princípio de Pascal. O peso normal do ar ao nível do mar é de 1 kgf/cm². Porém, a pressão atmosférica diminui com o aumento da altitude. De forma simplificada poder-se-á considerar que a pressão diminui 1 hPa (ou 1 mbar) a cada 8 metros que se sobe. A 3000 metros, é cerca de 0,7 kgf/cm². A 8840 metros, a pressão é de apenas 0,3 kgf/cm².

As altas pressões resultam da descida do ar frio. A rotação da Terra faz o ar, ao descer, circular à volta do centro de alta pressão. Quando o ar quente se eleva cria, por baixo dele, uma zona de baixa pressão. Baixas pressões, normalmente significam mau tempo. No hemisfério Norte o ar desloca-se no sentido horário e, no hemisfério Sul, no sentido anti-horário. Quanto mais baixa a altitude, maior a pressão.

As baixas pressões são causadas pela elevação do ar quente. Este circula no sentido horário no hemisfério Sul e no sentido anti-horário no hemisfério Norte. À medida que o ar, ao subir, arrefece, o seu vapor de água transforma-se em nuvens, que podem produzir chuva, neve ou tempestade. Simultaneamente, ao nível do solo, há ar que se desloca para substituir o ar quente em elevação, o que dá origem a ventos.

Conversão entre Unidades

1 atm = 1,01325 × 105 Pa (Pascals)

1 atm = 1013,25 hPa (Hectopascals)

1 atm = 1,033 kgf/cm² (Quilograma-força por centímetro quadrado)

1 atm = 1,01325 bar

1 atm = 14,6959487755 psi (libras por polegada quadrada)

1 atm = 760 mmHg (milímetros de mercúrio)

1 atm = 29,92126 polHg (polegadas de mercúrio)

1 atm = 10,1797339656 mca (metros de coluna de água - mH20)

Temperatura é uma grandeza física que mensura a energia cinética média de cada grau de liberdade de cada uma das partículas de um sistema emequilíbrio térmico. Em sistemas constituídos apenas por partículas idênticas essa definição associa-se diretamente à medida da energia cinética média por partícula do sistema em equilíbrio térmico. A presente definição é análoga a afirmar-se que a temperatura mensura a energia cinética média por grau de liberdade de cada partícula do sistema uma vez consideradas todas as partículas de um sistema em equilíbrio térmico em um certo instante. A rigor, a temperatura é definida apenas para sistemas em equilíbrio térmico.

Dentro do formalismo da termodinâmica, que leva em conta apenas grandezas macroscopicamente mensuráveis, a temperatura é, de forma equivalente, definida como a derivada parcial da energia interna U em relação à entropia S para um sistema em equilíbrio termodinâmico:

A temperatura não é uma medida de calor, mas a diferença de temperaturas é a responsável pela transferência da energia térmicana forma de calor entre dois ou mais sistemas. Quando dois sistemas estão à mesma temperatura diz-se que estão em equilíbrio térmico e neste caso não há calor. Quando existe uma diferença de temperatura, há calor do sistema em temperatura maior para o sistema em temperatura menor até atingir-se o equilíbrio térmico. Este calor pode dar-se por condução, convecção ou irradiação térmica. As influências precisas da temperatura sobre os sistemas são estudadas pela termodinâmica e esta é uma das principaisgrandezas intensivas encontradas na área.

A temperatura é medida com termômetros que podem ser calibrados em uma grande variedade de escalas de temperatura. Praticamente em todo o mundo com a exceção dos Estados Unidos, Belize, Mianmar e Libéria, usa-se a escala Celsius para os mais variados fins. Entretanto, em se tratando de trabalhos científicos, é obrigatório o uso da escala Kelvin visto que esta é a única que liga-se de forma direta à energia cinética média por partícula do sistema em estudo e às definições estatística e termodinâmica de temperatura, sendo por razões óbvias denominada escala natural ou escala absoluta de temperaturas.

Em um corpo em aquecimento, como este segmento da proteína alfa-hélice, seus átomos vibrarão mais, causando a expansão da substância ou a mudança de fase.

A densidade do ar, ρ (em grego: rho) do ar, é a massa por unidade de volume da atmosfera da Terra. É um valor útil em aeronáutica,engenharia e diversas ciências. A densidade do ar diminui com o aumento da altitude, exercendo pressão de ar. Também muda com as variações de temperatura ou umidade. Ao nível do mar e a 15 °C, de acordo com a ISA (International Standard Atmosphere), o ar tem uma densidade de cerca de 1,225 kg/m³.

A umidade é a quantidade de vapor de água na atmosfera. Fisicamente, a humidade relativa é definida como a razão da quantidade de vapor de água presente numa porção da atmosfera (pressão parcial de vapor) com a quantidade máxima de vapor de água que a atmosfera pode suportar a uma determinada temperatura (pressão de vapor). A umidade relativa é uma importante variável (medida) usada na previsão do tempo, e indica a possibilidade de precipitação (chuva,neve, entre outros), orvalho ou nevoeiro.

A alta umidade durante dias quentes faz a sensação térmica aumentar, ou seja, a pessoa tem a impressão de que está fazendo mais calor, devido à redução da eficácia da transpiração da pele, e assim reduzindo o resfriamento corporal. Por outro lado, a baixa umidade dos desertos causa uma grande diferença de temperatura entre o dia e a noite. Este efeito é calculado pela tabela de índice de calor.

Feitas as devidas considerações, devemos nos lembrar que quanto mais ar, mais fácil será para voar, porém, não podemos nos esquecer que uma aeronave empreende voos em diversas altitudes, logo, também precisamos conhecer o conceito de altitude, o qual, não se confunde com altura.

Altitude de um ponto é a distância vertical medida entre aquele ponto e o nível médio do mar.

A altitude e a temperatura do local em que ela é mensurada são grandezas inversamente proporcionais, pois quando a altitude aumenta em 200m a temperatura ambiente diminui aproximadamente 1 grau Celsius. Por conta disto, via de regra a temperatura ambiente diminui aproximadamente 5 °C/Km, à medida que a altitude aumenta. A este valor de 5 °C/Km -- que nada mais é que uma taxa de variação de 5 °C para cada quilômetro de distância vertical percorrida -- dá-se o nome gradiente térmico.

A altura, como medida, é semelhante à altitude, exceto no referencial. Enquanto a altitude usa como referencial o nível médio do mar, a altura refere-se a qualquer outro, variável, embora normalmente seja o solo.

Por exemplo:

• Um indivíduo X mede 1,80 metros de altura; Um helicóptero sobrevoando a 200 metros de altura [acima do nível do solo].
• Um avião voando a 1.000 metros de altitude [acima do nível do mar].

Logo, a altitude tem como referencial, SEMPRE, o nível do mar, enquanto a altura, o ponto referencial que encontra-se abaixo da aeronave.

De todo e exposto, é possível chegar às seguintes conclusões:

1. Altitude e Pressão são grandezas INVERSAMENTE proporcionais, uma vez que quanto maior for a altitude, menor será a pressão e vice-versa.

2. Altitude e Temperatura são grandezas INVERSAMENTE proporcionais, uma vez que quanto maior for a altitude, menor será a temperatura e vice-versa.

3. Altitude e Densidade são grandezas INVERSAMENTE proporcionais, uma vez que quanto maior for a altitude, menor será a densidade.

4. Temperatura e Umidade são grandezas DIRETAMENTE proporcionais, uma vez que quanto maior for a temperatura, maior será a umidade e vice-cersa.

Desta forma podemos chegar às seguintes conclusões: maior pressão = maior quantidade de ar; maior densidade = maior quantidade de ar; menor temperatura = maior quantidade de ar; e menor umidade = maior quantidade de ar. Logo, as condições mais adequadas para uma decolagem (utilização de menor extensão de pista) e voo são: dia seco e frio.

ATMOSFERA PADRÃO OU CONDISÕES I.S.A.

Conforme visto anteriormente, a atmosfera apresenta inúmeras variações de pressão, temperaturae densidade e; na impossibilidade de se fazerem ajustes contínuos nos equipamentos das aeronaves, foi criada a atmosfera padrão, para servir de base para todos os vôos e ajustes.

A atmosfera padrão tem como objetivo principal alcançar-se o melhor DESEMPENHO da aeronave.

ATMOSFERA PADRÃO (ISA – International Standard Atmosphere): atmosfera hipotética idealizada por intermédio de médias climatológicas de várias constantes físicas a uma latitude de 45º, entre as quais:

• Nível do Mar
• Temperatura no nível médio do mar = 15ºC
• Pressão atmosférica de 1013,2 hPa (29,92 pol. Hg ou 760 mm hg) ao nível do mar
• Taxa de variação térmica na troposfera de cerca de 6,5 ºC por quilômetro ou aproximadamente 2ºC para cada 1000 pés.
• Tropopausa de 11 km (36.000 pés) com temperatura de –56,5ºC.

PRINCÍPIO DE BERNOULLI

O princípio de Bernoulli, também denominado equação de Bernoulli ou Trinômio de Bernoulli, ou ainda Teorema de Bernoulli descreve o comportamento de umfluido movendo-se ao longo de uma linha de corrente e traduz para os fluidos oprincípio da conservação da energia.

Foi exposto por Daniel Bernoulli em sua obra Hidrodinâmica (1738) e expressa que num fluido ideal (sem viscosidade nem atrito) em regime de circulação por um conduto fechado, a energia que possui o fluido permanece constante ao longo de seu percurso. A energia de um fluido em qualquer momento consta de três componentes:

1. Cinética: é a energia devida à velocidade que possua o fluido.
2. Potencial gravitacional: é a energia devida à altitude que um fluido possua.
3. Energia de fluxo: é a energia que um fluido contém devido à pressão que possui.

A seguinte equação conhecida como "Equação de Bernoulli" (Trinômio de Bernoulli) consta destes mesmos termos.

onde:

Para aplicar a equação se deve realizar as seguintes suposições:

• Viscosidade (atrito interno) = 0 Ou seja, se considera que a linha de corrente sobre a qual se aplica se encontra em uma zona 'não viscosa' do fluido.
• Caudal constante
• Fluxo incompressível, onde ρ é constante.
• A equação se aplica ao longo de uma linha de corrente ou em um fluxo irrotacional.

Ainda que nome da equação se deve a Bernoulli, a forma acima exposta foi apresentada primeiramente por Leonhard Euler.

Um exemplo de aplicação do princípio é encontrado no fluxo de água em tubulação.

O efeito Bernoulli é também em parte a origem da sustentação dos aviões. Graças à forma e orientação dos perfis aerodinâmicos, a asa é curva em sua face superior e está angulada em relação às linhas de corrente incidentes. Por isto, as linhas de corrente acima da asa estão mais juntas que abaixo, pelo que a velocidade do ar é maior e a pressão é menor acima da asa; ao ser maior a pressão abaixo da asa, se gera uma força resultante (líquida) acima chamada sustentação.

Em suma é importante saber, basicamente que o Princípio de Bernoulli diz: "AUMENTANDO A VELOCIDADE DE UM FLUÍDO, SUA PRESSÃO DIMINUI".

3ª LEI DE NEWTON

As leis de Newton são as leis que descrevem o comportamento de corpos em movimento, formuladas por Isaac Newton. Descrevem a relação entre forças agindo sobre um corpo e seu movimento causado pelas forças. Essas leis foram expressas nas mais diferentes formas nos últimos três séculos.

A Terceira Lei de Newton (ação e reação) diz:

A Terceira lei de Newton, ou Princípio da Ação e Reação, diz que a força representa a interação física entre dois corpos distintos ou partes distintas de um corpo. Se um corpo A exerce uma força em um corpo B, o corpo B simultaneamente exerce uma força de mesma magnitude no corpo A— ambas as forças possuindo mesma direção, contudo sentidos contrários. Como mostrado no esquema ao lado, as forças que os esquiadores exercem um sobre o outro são iguais em magnitude, mas agem em sentidos opostos. Embora as forças sejam iguais, as acelerações de ambos não o são necessariamente: quanto menor a massa do esquiador maior será sua aceleração.

As duas forças na terceira lei de Newton têm sempre a mesma natureza. A exemplo, se a rua exerce uma força ação para frente no pneu de um carro acelerando em virtude do atrito entre este pneu e o solo, então também é uma força de atrito a força reação que empurra o asfalto para trás.

De forma simples: a força é a expressão física da interação entre dois entes físicos: há sempre um par de forças a agir em um par de objetos, e não há força solitária sem a sua contra-parte. As forças na natureza aparecem sempre aos pares e cada par é conhecido como uma par ação - reação.

Newton usou suas leis para obter a Lei da Conservação do Momento Linear no entanto por uma perspectiva mais profunda, a conservação do momento linear é a ideia mais fundamental (obtida pelo Teorema de Noether da invariância de Galileu), sendo mantida em casos onde a terceira lei de Newton aparentemente falha, por exemplo quando há ondas eletromagnéticas envolvidas ou em alguns tópicos associados à mecânica quântica.

IMPORTÂNCIA PARA A AERODINÂMICA DO PRINCÍPIO DE BERNOULLI E DA TERCEIRA LEI DE NEWTON

A sustentação de uma asa é 70% devida ao Princípio de Bernoulli (parte de cima) e 30% devida a Terceira Lei de Newton (parte de baixo).

Nunca se esqueça que quem tem Leis é Newton; Bernoulli tem Princípio.

FORÇAS QUE ATUAM SOBRE A AERONAVE

Em uma aeronave atuam 4 forças, a saber: para a frente a tração ou empuxo; para trás o arrasto; para cima a sustentaçã; e, para baixo o peso.

Para a aeronave acelerar é necessário que o empuxo (tração) torne-se maior que o arrasto; para desacelerar, o empuxo (tração) deve ser menor que o arrasto. Se arrato e empuxo (tração) forem iguais a aeronave voará com velocidade constante em razão do equilíbrio das forças.

Para a aeronave subir é necessário que a sustentação torne-se maior que o peso; para descer, a sustentação deve ser menor que o peso. Se sustentação e peso forem iguais a aeronave voará nivelada em razão do equilíbrio das forças.

Note ainda que, todas as vezes que o empuxo (tração) aumenta, também há aumento do arrasto, pois uma maior quantidade de ar estará passando pelo corpo da aeronave. Logo, empuxo (tração) e arrasto são grandezas DIRETAMENTE proporcionais.

RESULTANTE AERODINÂMICA

É o resultado da decomposição da sustentação pelo arrasto; é chamada, também, de resistência ao avanço.

• TRAÇÃO OU EMPUXO

É a força que proporciona a movimentação da aeronave, a fim de que a mesma possa desenvolver a velocidade de deslocamento necessária a uma decolagem e, mesmo, a manutenção do próprio voo.

É uma força fundamental, uma vez que a aeronave precisa, via de regra, desenvolver certa velocidade para conseguir voa.

Esta força, tração ou empuxo, é produzida pelos motores da aeronave, que podem ser de tipos variados, de acordo com o tipo de aeronave e tipo de e,prego da aeronave.

• ARRASTO

Logo, é uma força contrária ao deslocamento da aeronave; é oposto ao empuxo. 

Na dinâmica dos fluidos, arrasto é a força que faz resistência ao movimento de um objeto sólido através de um fluido (um líquido ou gás). O arrasto é feito de forças de fricção (atrito), que agem em direção paralela à superfície do objeto (primariamente pelos seus lados, já que as forças de fricção da frente e de trás se anulam), e de forças de pressão, que atuam em uma direção perpendicular à superfície do objeto (primariamente na frente e atrás, já que as forças de pressão se cancelam nas laterais do objeto). Ao contrário de outras forças resistivas, como o atrito, que é quase independente da velocidade, forças de arrasto depende da velocidade.

O arrasto é uma força de resistência ao movimento de um objeto num fluido (como o ar - a água também é um fluido). Uma forma de sentir o efeito do arrasto é colocar (com cuidado) sua mão para fora da janela de um carro em movimento. O arrasto que sua mão produz depende de alguns fatores, como o tamanho de sua mão, a velocidade do carro e a densidade do ar. Desacelerando o carro, você nota que o arrasto em sua mão também diminui.

Esportes têm bons exemplos do efeito do arrasto. Pilotos de moto se abaixam nas retas para ganhar velocidade (e erguem o torso nas freadas para aproveitar o arrasto). Esquiadores da modalidade downhill nas Olimpíadas de Inverno se agacham sempre que podem, para ficar "menores" e reduzir o arrasto que produzem, acelerando mais rápido montanha abaixo.

É para reduzir o arrasto que logo após a decolagem um avião de passageiros recolhe o trem de pouso, guardando-o na fuselagem (o corpo) do avião. Assim como o esquiador e o piloto de moto, o piloto do avião quer tornar a aeronave o menor possível para reduzir o arrasto. A quantidade de arrasto produzida pelo trem de pouso de um jato é tamanha que, em velocidade de cruzeiro, o trem de pouso seria arrancado do avião.

Pode ser subdividido, para fins didáticos, em arrasto de atrito, arrasto de pressão ou arrasto de forma, arrasto de perfil, arrasto de interferência, arrasto parasita e arrasto induzido.

• TIPOS DE ARRASTO

1. ARRASTO DE ATRITO

Este tipo de arrasto está relacionado com as tensões de cisalhamento atuantes e as características da superfície do avião, sendo ela lisa ou áspera.

Quanto mais lisa for, o ar se moverá de forma laminar, porém se áspera, ocorrerá um fluxo de ar turbilhonado aumentando o arrasto. Para se evitar esse tipo de problema, atualmente se utiliza na construção das aeronaves material mais liso e polido na sua área externa o que possibilita maior economia e melhor rendimento de voo.

2. ARRASTO DE PRESSÃO OU ARRASTO DE FORMA

Representa o arrasto gerado devido ao desbalanceamento de pressão causado pela separação do escoamento e está relacionado com a área, na qual o ar colide de frente, e ocorre a chamada deflexão (desvio do ar pelo obstáculo).

Para se obter um menor arrasto, 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.

3. ARRASTO DE PERFIL

É a soma do arrasto de atrito com o arrasto de pressão, este termo é comumente utilizado quando se trata do escoamento em duas dimensões, ou seja, representa o termo empregado quando se realiza a análise de um aerofólio.

4. ARRASTO DE INTERFERÊNCIA

Representa um arrasto de pressão que é causado pela interação do campo dos escoamentos ao redor de cada componente da aeronave. Em geral o arrasto total da combinação asa-fuselagem é maior que a soma individual do arrasto gerado pela asa e pela fuselagem isoladamente.

5. ARRASTO INDUZIDO

É o arrasto dependente da geração de sustentação, é caracterizado por um arrasto de pressão causado pelo escoamento induzido “downwash” que é associado aos vórtices criados nas pontas de uma asa de envergadura finita.

Este tipo de arrasto ocorre devido 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 uma perturbação na ponta da asa, o que provoca uma resistência ao avanço do avião.

A diferença de pressão existente é na verdade a mesma ação que cria a força de sustentação, portanto pode se concluir que o arrasto induzido é intrínseco a geração de sustentação da asa, ou seja, representa o “preço que deve ser pago” para produzir a força de sustentação necessária ao voo da aeronave.

O arrasto induzido ou vortes é minimizado através da instalação nas pontas das asas de dispositivos chamados de WINGLET.

O arrasto parasita de uma aeronave pode ser estimado através do cálculo individual da força de arrasto de cada uma das partes do avião que não produz sustentação, lembrando sempre de levar em consideração o arrasto de interferência onde se faz presente, utilizando-o como estimativa individual dos componentes da aeronave que se encontram sob interferência dele.

Normalmente os componentes que devem ser somados em uma aeronave de AeroDesign são:
a) Asa;
b) Fuselagem;
c) Profundor;
d) Leme;
e) Trem de pouso principal;
f) Trem de pouso do nariz;
g) Rodas;
h) Interferência Asa-Fuzelagem;
i) Lincagem;
j) Motor.

Os componentes “I” e “J” devem ser estimados através de experimentos que geralmente acrescem cerca de 20% no total encontrado.

Ao calcular normalmente existem muitas incertezas quanto a um valor exato do coeficiente de arrasto parasita a partir do modelo apresentado. Essas incertezas ocorrem devido principalmente as componentes da aeronave que se encontram sob o efeito de arrasto de interferência além das irregularidades das superfícies que dificultam muito o processo de cálculo.

Em face dessas dificuldades, muitas vezes a melhor maneira de se estimar o arrasto parasita é a partir do conhecimento prévio dos coeficientes de arrasto parasita dos componentes de aeronaves já existentes e que possuem uma aparência similar a da aeronave que se encontra em fase de projeto.

• PESO

O peso de um objeto é a força gravitacional sofrida por este objeto em virtude da atração gravitacional nele exercida por um outro corpo massivo.

Em senso comum o peso é associado à força sobre um objeto de massa muito pequena se comparada à massa ordens de grandeza maior do corpo responsável pela atração gravitacional, contudo em termos científicos a definição é simétrica: o corpo massivo também está solicitado por uma força peso associada à atração nele exercida pelo objeto pouco massivo, sendo em verdade este peso exatamente igual em módulo ao peso do próprio objeto pouco massivo em virtude da terceira lei de Newton.

Leigos sobre o assunto geralmente confundem os conceitos de peso e massa. Contudo ressalva-se que peso e massa são grandezas completamente distintas, apesar de relacionadas. A passo que massa é uma grandeza escalar, peso é uma grandeza vetorial.

• SUSTENTAÇÃO

Chegou a hora de falarmos sobre a sustentação que é a força que efetivamente proporciona o voo da aeronave. Entretanto, para entendermos a sustentação, precisamos primeiramente entender o conceito de VENTO RELATIVO.

O vento relativo é o vento criado pelo deslocamento de um objeto e tem o mesmo valor que a velocidade aerodinâmica, mas não representa o deslocamento. Representa o escoamento de ar em relação à asa. O sentido do vento relativo é oposto ao da Velocidade aerodinâmica. É o vento no rosto do piloto. Mesmo com vento real de calda forte haverá sempre vento relativo passando pelo rosto do piloto. É o vento aparente que sopra sobre um corpo em movimento na atmosfera, geralmente no sentido contrário ao objeto em movimento, na decolagem, em voo, no pouso e até mesmo no movimento de uma pessoa caminhando. 

Sendo assim, é fundamental entender que o VENTO RELATIVO é SEMPRE CONTRÁRIO ao deslocamento.

Sustentação é a componente da Resultante Aerodinâmica perpendicular ao vento relativo. A Resultante Aerodinâmica (RA) é uma força que surge em virtude do diferencial de pressão entre o intradorso e o extradorso do aerofólio e tende a empurrá-lo para cima, auxiliada ainda pela reação do ar (Terceira Lei de Newton) na parte inferior da mesma. Ela é representada como um vetor que, quando decomposto, dá origem a duas forças componentes que são: a força de sustentação e a força de arrasto. Graças a essa força o aerofólio é capaz de erguer-se. Se este for, por exemplo a asa de uma aeronave, esta alçará vôo. A sustentação é função da densidade do ar (densidade dividida por dois), do coeficiente de sustentação, da área da asa e da velocidade de vôo elevada ao quadrado, e seu símbolo é "L" (Lift, em Inglês).

onde:

Conceituação similar de sustentação pode ser desenvolvida para a locomoção em outros fluidos além do ar, destacadamente na água, como se necessita ao projetar hidrofólios.

Em aeronáutica é a principal força que permite que uma aeronave comasas se mantenha em vôo. Esta, ao ser maior que o peso total da aeronave, lhe permite decolar.

Para a sustentação se utiliza a notação 

Além disso, a sustentação, e em consequência, seu coeficiente, dependem diretamente do ângulo de ataque, aumentando segundo aumenta este até chegar a um ponto máximo, depois do qual o fluxo de ar que passa sobre os extrados (parte superior da asa), não consegue correr em sua totalidade e manter-se aderido ao perfil aerodinâmico, dando lugar à "entrada em perda" ou estol (do termo inglês stall).

A sustentação de uma asa é uma consequência prática do Teorema ou Princípio de Bernoulli, cntribuindo com cerca de 30% da sustentação total.

De maneira muito simples, mas técnica, podemos dizer que sustentação é a diferença de pressão entre a cambra superior do aerofólio (parte de cima da asa), onde a pressão estática diminui; e, a cambra inferior do aerofólio (parte de baixo da asa), onde a pressão dinâmica aumenta, conforme figura abaixo.

Alguns fatores afetam a sustentação, por exemplo:

Quanto mais ar disponível, maior será a sustentação;

Quanto maior for a velocidade da aeronave, maior será a sustentação;

Quanto maior for a área da asa (tamanho), maior será a sustentação;

Quanto maior for o ângulo de ataque (até determinados limites), maior será a sustentação;

Quanto maior for a curvatura da cambra superior do aerofólio (até determinados limites), maior será a sustentação;

Se o dia estiver seco e frio, maior será a sustentação;

Quanto menor for a umidade do ar, maior será a sustentação.

• STOL ou ESTOL

É, simplesmente, a perda da sustentação.

O ar que deveria tocar o aerofólio, a fim de produzir a sustentação, não mais cumpre sua função criando na parte superior do mesmo uma área de turbulência, o que acaba por gerar a perda de sustentação ou o stol.

SUPERFÍCIE AERODINÂMICA

Superfície aerodinâmica é qualquer superfície que possa reduzir a resistência ao avanço ou o arrasto.

Sendo assim, das figuras acima, podemos dizer que a primeira e a segunda enquadram-se no conceito de superfície aerodinâmica, porém, a terceira não. 

AEROFÓLIO

O aerofólio é uma superfície aerodinâmica, logo, por definição, é capaz de reduzir a resistência ao avanço ou o arrasto. Porém, além disto, ele faz mais, pois, é capaz de transformar a força do ar em reações úteis (ao voo), como as asas de aeronaves e de carros de fórmula 1.

TIPOS DE AEROFÓLIOS

Há dois tipos de aerofólios: o simétrico e o assimétrico.

O aerofólio SIMÉTRICO é de mais fácil construção, logo, mais barato; seu centro de pressão é considerado invariável; é muito utilizado em helicópteros.

O aerofólio SIMÉTRICO é aquele que quando dividido ao meio, através de um corte imaginário, apresentará duas partes rigorosamente iguais, conforme visto abaixo.

Perfil Simétrico

O aerofólio de perfil ASSIMÉTRICO é aquele que quando é dividido por uma linha imáginária, apresenta duas partes diferentes, conforme figura abaixo.

Perfil Assimétrico

PARTES DO AEROFÓLIO

Em nosso estudo, consideraremos o aerofólio de perfil assimétrico, por ser de mais fácil visualização, mas, em ambos, encontraresmos as mesmas partes.

• BORDO DE ATAQUE - é a parte do aerofólio onde o vento relativo primeiramente o toca.
• BORDO DE FUGA - é a parte do aerofólio, através da qual, o vento relativo deixa o mesmo.
• CAMBRA SUPERIOR ou EXTRADORSO - é a parte de maior curvatura do aerofólio (no perfil assimétrico); é a parte onde a sustentação se dá através da incidência do Princípio de Bernoulli.
• CAMBRA INFERIOR ou INTRADORSO- é a parte menos curva do aerofólio (no caso de perfil assimétrico); nesta parte a sustentação se dá em razão da incidência da Terceira Lei de Newton (ação e reação).
• CAMBRA MÉDIA é uma linha imaginária que divide o aerofólio em duas partes equidistantes, ou seja, partes que estão a mesma distância. A cambra média determina a curvatura do aerofólio e, consequentemente, seu tipo.
• CORDA - é uma linha imaginária que liga o bordo de ataque ao bordo de fuga do aerofólio; sobre ela localiza-se o Centro de Pressão (C.P.); a corda define a posição do aerofólio.
• CENTRO DE PRESSÃO - localiza-se sobre a corda e é o ponto onde é encontrada a resultante das forças que atuam sobre a aeronave em voo.

CENTRO DE GRAVIDADE

É o ponto onde se concentra TODO o peso da aeronave.

Não deve ser confundido com centro de pressão.

O Centro de Gravidade está localizado no cruzamento dos 3 (três) eixos da aeronave.

EIXOS DA AERONAVE

A aeronave possuí 3 (três) eixos imaginários: o eixo longitudinal, que prolonga-se, horizontalmente, do nariz até a cauda da aeronave; o eixo vertical, que a atravessa de cima para baixo, verticalmente; e, o eixo lateral ou transversal, que atravessa a aeronave no sentido de suas asas, ou seja, lateralmente.

• EIXO LONGITUDINAL - prolonga-se horizontalmente do nariz à cauda da aeronave.

• EIXO VERTICAL - prolonga-se verticalmente de cima para baixo.

• EIXO LATERAL ou EIXO TRANSVERSAL - prolonga-se lateralmente no sentido das asas.

NOMENCLATURA DOS MOVIMENTOS EM TORNO DOS EIXOS DA AERONAVE E SUPERFÍCIES UTILIZADAS PARA TAIS COMANDOS

Durante a realização de seus movimentos, a aeronave move-se (gira) em torno de seus eixos imaginários. Cada movimento em torno de determinado eixo receberá um nome específico, a saber: ARFAGEM, GUINADA ou ROLAGEM (ROLAMENTO).

• ARFAGEM - é o movimento do eixo longitudinal EM TORNO DO EIXO LATERAL.
• GUINADA - é o movimento do eixo longitudinal EM TORNO DO EIXO VERTICAL.
• ROLAGEM OU ROLAMENTO - é o movimento do eixo lateral EM TORNO DO EIXO LONGITUDINAL.

ÂNGULO DE ATAQUE

Ângulo de ataque, em aviação, é um ângulo aerodinâmico e pode ser definido como o ângulo formado pela corda do aerofólio e a direção do seu movimento relativo ao ar, ou melhor, em relação ao vento aparente (ou vento relativo).

O ângulo de ataque é um dos principais fatores que determinam a quantidade de sustentação, de atrito (ou arrasto) e momentoproduzido pelo aerofólio.

ÂNGULO DE INCIDÊNCIA

É o ângulo formado entre a corda e o eixo LONGITUDINAL da aeronave.

ÂNGULO CRÍTICO OU ÂNGULO DE STOL

Corresponde ao ângulo em que a aeronave perde a sustentação.

MATERIAL CONSULTADO

Meteorologia - Prof. Edson Cabral

Principais Tipos de Arrasto nas Aeronaves - Fabio Augusto Alvarez Biasi.

http://www.educacional.com.br

http://pt.wikipedia.org

http://ciencia.hsw.uol.com.br

http://www.engbrasil.eng.br

http://www.fenixaviacao.com.br

Apostila Anac

O que se estuda na aerodinâmica?

Quais as leis físicas que são envolvidas no funcionamento de um avião?

Quais os tipos de aerodinâmica?

Qual a importância da aerodinâmica?