Como os aviões funcionam?
- Pedro
- 30 de nov. de 2020
- 6 min de leitura
Atualizado: 20 de fev. de 2021
Você já deve ter se deparado com fotos de aviões antigos, como o 14 bis (foto 2), o Wright flyer (foto 3), e se perguntado como aqueles modelos poderiam voar. O fato é que, apesar das inúmeras tecnologias incorporadas em aeronaves modernas como o Boeing 787 (foto 4), as leis da física são as mesmas para todos os aviões, inclusive os fabricados no começo do século XX. O “princípio básico do voo” é a chamada sustentação; ela é responsável por manter o avião no ar, sem que este perca altitude. Mas como é possível desenvolver estruturas que alcancem este e outros requisitos para o voo?
Foto 2
Foto 3
Foto 4
Saia pela rua durante o dia e fique atento ao céu. Repare nos pássaros, eles voam. Queremos voar também, então nada mais juto do que aprendermos com os profissionais da natureza. As asas dos pássaros são as responsáveis pela geração da dita sustentação, a qual os mantém nos céus. É então fácil deduzir que o mesmo acontece com os nossos aviões (veja a foto 5 para a similaridade entre uma asa de avião e de um passarinho). Em um experimento mental, se as asas de um avião desaparecessem durante o voo, este entraria em queda livre (como um paraquedista) devido a perda total de sustentação.
Foto 5
Legal, sabemos o que permite com que os aviões e pássaros fiquem no ar, mas como é gerada essa sustentação? Há duas explicações equivalentes, uma baseada nas leis da dinâmica de Newton (vamos chama-la de teoria 1) e a outra na equação de Bernoulli da hidrodinâmica (vamos chama-la de teoria 2). Apresentaremos ambas, mas ressaltamos que as duas teorias são formas diferentes de se explicar o mesmo fenômeno.
Contudo, antes de qualquer teoria, é trivial que entendamos o conceito do airfoil (aerofólio). O aerofólio (foto 6) é uma estrutura cujo design propicia a aerodinâmica.
Foto 6
Quando as partículas de ar colidem com uma estrutura aerofólio (como a asa de um avião, veja a foto 7), estas são tem a direção alterada. A grosso modo, o resultado desse “desvio do ar” é a geração de sustentação. O Wright Flyer, mencionado no início do artigo, possuía em seu design estruturas com formato de aerofólios, o que proporcionava a sustentação e o fazia voar (veja a foto 8).
Foto 7
Foto 8
Foto do vídeo https://www.youtube.com/watch?v=F077WDnB8P8&t=118s
Teoria 1: um avião desloca-se para frente graças à ação de seus motores e, como consequência, partículas de ar o atingem a alta velocidade. O formato do aerofólio na foto 6 evidencia um ângulo com a horizontal, denominado “ângulo de ataque.” Esse ângulo é o responsável por fazer com que mais partículas de ar atinjam a porção inferior do aerofólio. Os impactos das partículas na região inferior entregam forças para a direita (chamadas de “drag” e para cima (chamadas de “lift”) e, como consequência da terceira lei de Newton, o ar é desviado para baixo e sofre uma aceleração para a esquerda, conforme mostra a foto 9. Em outras palavras, o ar “empurra” o avião para cima e para a direita e o avião “empurra” o ar para baixo e para a esquerda.
Foto 9
O “drag” é uma força contraria ao deslocamento do avião, e deve ser compensada pela aceleração oposta dos motores. O “lift” é a força vertical que mantem o avião no ar (responsável pela sustentação) ao compensar a atuação da gravidade, a qual tenta trazer o avião para baixo. Para que um avião se mantenha estável (sem ter sua altitude alterada), o “lift” total gerado tem de ser igual a força da gravidade. Caso o “lift” total seja maior, o avião irá subir, e caso seja menor, ele irá descer. O “lift” gerado varia com a simetria do aerofólio (formato da asa, a grosso modo) e/ou pela alteração do ângulo de ataque.
Teoria 2: dissemos que a teoria 2 é fundamentada na equação de Bernoulli da hidrostática (veja a foto 10), mas essa afirmação pode gerar certa estranheza. Como poderia uma equação utilizada para a descrição de meios líquidos descrever um meio gasoso (o ar)?
Foto 10
O fluxo de ar gerado em torno dos aerofólios/da asa tem um comportamento semelhante ao de um líquido e, portanto, a modelagem do ar como um líquido faz-se cabível. Todavia, trabalhar com interações entre um meio líquido e um sólido é mais complexo do que interações entre corpos puramente sólidos, visto que fluidos podem mudar de forma e possuem múltiplos “pontos de contato” com o objeto sólido (veja a foto 11).
Foto 11
Voltemos para a descrição do surgimento da sustentação. Como mencionamos na teoria 1, as partículas de ar que atingem a porção inferior do aerofólio são desaceleradas. Como consequência, as partículas de ar que passam pela porção superior do aerofólio têm velocidade maior. O princípio de Bernoulli (derivado de sua equação) diz que quando um fluído flui mais rapidamente, a pressão que este exerce é diminuída e, quando um fluido flui mais lentamente, a pressão que este exerce é aumentada. Dessa forma, a região inferior do aerofólio será dotada de maior pressão (por conta de o ar estar sendo desacelerado/fluindo mais lentamente) ao passo que a região superior do aerofólio terá menor pressão (por conta de o ar estar fluindo mais rapidamente). Essa diferença de pressões constitui um sistema instável, e a natureza rapidamente age para equilibrar o sistema. Para tal, uma parte do ar da região de maior pressão flui para a região de menor pressão, com o intuito das pressões se igualarem. Essa “transferência de pressão” ocorre através de um fluxo de ar em espiral e é denominada “downwash.” As fotos 12 e 13 mostram o “downwash” em um aerofólio e em uma asa, respectivamente.
Foto 12
Foto 13
O “downwash” aumenta o ângulo de ataque do aerofólio e, portanto, gera um “lift” e um “drag” (de modo análogo à teoria 1). A foto 14 exibe a explicação vetorial do surgimento das forças “lift” e “drag,” a partir da mudança do ângulo de ataque causado pelo “downwash.” Novamente, com “lift” suficiente, a aeronave consegue sua sustentação. O “downwash” ocorre por toda a estrutura da asa, porém, é mais forte nas pontas e mais fracao nas raízes das asas. Como o “lift” é gerado por toda a asa, a sustentação total é acontada pela soma da contribuição de todas as forças de “lift.” Definimos essa força de “lift” conforme a integral , sendo p a pressão do ar, dA o elemento de área da asa, e o vetor unitário normal (veja a foto 15). A foto 16 mostra a aplicação de Bernoulli na aeronáutica para o cálculo da “força lift” gerada.
Foto 14
Foto 15
Foto 16
Pronto! Sabemos das duas teorias que explicam a geração de sustentação de um avião, agora entendemos como eles se mantem no ar! A partir de agora podemos compreender diversos fenômenos da aviação. Você já deve ter visto “redemoinhos” nas pontas das asas de alguns aviões no céu (as chamadas linhas de vórtex). Isso ocorre devido ao “downwash” quando o avião está passando por áreas com ar bem úmido. As fotos 17 e 18 mostram as linhas de vórtex.
Foto 17
Foto 18
Podemos também entender os motivos dos aviões terem um limite de altitude que possam operar. Quanto maior a altitude, menor a quantidade de ar. A partir de certo ponto, não há partículas de ar o suficiente para colidirem com a asa para a geração do “lift.” Desse modo, há a perda de sustentação e o avião “despenca.” Todavia, a NASA não se espanta com as leis da natureza. Em 1954 o órgão americano desenvolveu o X-15, uma aeronave experimental com um motor foguete. A altitude atingida pelo X-15 foi suficientemente alta para garantir o título de astronauta aos pilotos envolvidos. Sua velocidade máxima marcou um recorde de mach 6 (7274 km/h). A foto 19 mostra um X-15 acoplado à um B-52, bombardeio do qual o X-15 desprendia-se para a realização de seu voo.
Foto 19
Muitos outros mecanismos são explicados pela interação do ar e da aerodinâmica das partes da aeronave, a exemplo dos flaps, elevadores e leme. A aviação é senão a tecnologia copiando a natureza, a partir dos “aviadores” mais primitivos da história. Caso algum dia alguém pergunte “como os aviões funcionam?”, aponte para o céu (ou fiação telefônica) e diga: “a resposta está ali.”
Foto 1: capa (X-15 no B-52)
Foto 2: 14-Bis
Foto 3: Wright Flyer
Foto 4: 787
Foto 5: A natureza e a tecnologia
Foto 6: Colisão do ar com a asa
Foto 7: Estrutura de um aerofólio
Foto 8: Aerofólio no Wright Flyer
Foto 9: Massa de ar "impactando" um aerofólio (note que na primeira figura, ambos os vetores foram representados para ilucidar o referencial de aproximação adotado (o aerofólio parado e o ar se aproximando ou o ar parado e o aerofólio se aproximando)
Foto 10: Equação de Bernoulli
Foto 11: Corpo sólido submerso em um líquido com múltiplos pontos de contato
Foto12: "Downwash" em um aerofólio
Foto 13: "Downwash" em uma asa
Foto 14: Surgimento de lift a partir do ângulo de ataque
Foto 15: Integral da Lift force
Foto 16: Equação de Bernoulli na aeronáutica
Fotos 17 e 18: Linhas de vórtex
Foto 19: X-15 acoplado à um B-52
Material de referência:
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