Aeroportos | Unidade 2 - Principais Componentes e Definições de Aeronaves
Caro(a) aluno(a),
Este módulo é de suma importância ao seu aprendizado referente à aerodinâmica em aeronaves. Nesta aula, trataremos dos termos e conceitos fundamentais para o entendimento das forças que interagem com um perfil alar assimétrico que transita por um fluido, o ar.
De uma forma geral, a aerodinâmica enquanto ciência passou a ganhar maior importância industrial com o surgimento dos aviões e dos automóveis, uma vez que eles precisavam se deslocar com menor atrito possível com o ar.
Diante disso, é preciso que se entenda a relação entre a atmosfera, a aeronave, as forças dinâmicas e os mecanismos de interação que agem na aeronave durante voo. Esse mecanismo é posteriormente aplicado em como uma aeronave é projetada com um tipo particular de asas e porque as superfícies têm que ser aerodinamicamente regulares.
Ao final desta aula, você será capaz de:
A aerodinâmica é uma ciência que faz parte da física que se propõe a estudar o movimento de fluidos gasosos, as suas propriedades e características, e as forças de interação que esses fluidos exercem sobre os corpos sólidos neles imersos. Essa relação entre a parte fluida e o corpo sólido também está presente na teoria de voo, uma vez que as aeronaves precisavam se locomover tendo o menor atrito possível com o ar.
Imagine, por exemplo, o vento fluindo em determinada direção em relação à asa do avião, produzindo um conjunto de forças sobre o aeroplano. No jargão aeronáutico, costuma-se falar em quatro forças aerodinâmicas:
A força que se sobrepõe ao arrasto impulsionando a aeronave para frente é a tração produzida por um motor. As quatro forças aerodinâmicas sobre uma aeronave só estarão em equilíbrio quando a aeronave estiver em voo reto, nivelada e desacelerada.
As forças de sustentação e arrasto são as resultantes da interação entre o vento incidente relativo e a aeronave. Essa força de sustentação sempre age perpendicularmente ao vento, e a força de arrasto é sempre paralela a este e na mesma direção.
De acordo com Abreu (2015), a força-peso age no centro de gravidade da aeronave no sentido para baixo. Quando a força de sustentação está em equilíbrio com a força-peso, a aeronave não ganha nem perde altitude. Se a sustentação se torna menor que o peso, a aeronave perde altitude. A aeronave ganha altitude quando a sustentação é maior.
Nessa área, um dos temas de maior interesse é a explicação de como se dá a sustentação aerodinâmica, que na aeronáutica é a principal força que permite que um avião se mantenha em voo.
As teorias mais usadas para explicar a dinâmica das forças de sustentação são o princípio de Bernoulli, que se baseia na diferença de pressão devido a um aumento da velocidade do ar na parte superior da asa e a Terceira Lei de Newton, tendo como justificativa a alteração do momento linear da corrente de ar que passa pela asa (OLIVEIRA, 2009).
O princípio de Bernoulli estabelece que, quando um fluido percorre um duto e atinge uma restrição ou um estrangulamento da seção transversal deste duto, a velocidade desse fluido é aumentada, ao passo que a pressão é reduzida.
O ar é um fluido.
Na figura a seguir, é possível perceber o efeito do ar que passa por um estrangulamento em um duto.
Nota-se que, na garganta do Venturi, a velocidade aumenta e a pressão diminui.
O fluxo de ar que atinge a superfície curva de uma asa assimétrica durante o voo produz um efeito similar ao princípio de Bernoulli. Ao tempo em que o ar transita sobre a superfície superior de uma asa (o seu extradorso), sua velocidade aumenta e sua pressão diminui. Pode-se dizer que é formada uma área de baixa pressão.
Para Rodrigues (2014), o mecanismo de sustentação, que é explicado pela diminuição da pressão estática no extradorso (face superior de um perfil), representa a maior ou menor habilidade que um avião tem para se manter em voo. A força de sustentação é essencialmente utilizada como forma de vencer o grande peso da aeronave em frente ao ar, garantindo o voo.
Alguns princípios físicos fundamentais podem ser aplicados para que se entenda como a força de sustentação é criada, entre estes, destacam-se a terceira lei de Newton e o princípio de Bernoulli.
Um esquema ilustrativo da teoria de base "Bernoulliana” é apresentado na Figura 3.
Quando um perfil alar assimétrico, que pode ser a asa de um avião, se desloca através do ar, o escoamento se divide em uma parcela direcionada para a parte superior e uma para a parte inferior do perfil.
Se houver um ângulo positivo entre a asa e a direção do escoamento, o ar é forçado a mudar de direção, logo, a fração do escoamento localizado na parte inferior da asa é forçada para baixo e, de acordo com a terceira lei de Newton, isto é, para qualquer força de ação aplicada, existe uma reação de mesma intensidade, direção e sentido oposto, a asa é igualmente forçada para cima. Em resumo, a asa aplica uma força para baixo no ar, e o ar aplica na asa uma força de mesma magnitude no sentido de empurrar a asa para cima.
A diferença de curvaturas entre a superfície superior (extradorso) e a inferior (intradorso) da asa produz a força de sustentação. O ar que flui no extradorso tem que alcançar o bordo de fuga da asa no mesmo tempo em que o fluxo no intradorso o realiza. Para tal, as partículas de ar que passam sobre a superfície superior movem-se com maior velocidade que aquelas que passam por baixo da asa, devido à maior distância que elas precisam percorrer.
O 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 extradorso e intradorso, forçando a subida da asa na direção da pressão mais baixa.
Logo, essa diferença de pressão será a responsável por criar uma força perpendicular à superfície da asa, denominada resultante aerodinâmica, agindo no centro de pressão, tendo como sua componente vertical, a força de sustentação.
O princípio de Bernoulli pode ser matematicamente expresso pela Equação 1 apresentada a seguir.
\(Pe+\frac{1}{2}.p.{{v}^{2}}=cte\)
Em que:
pe = pressão estática que o ar exerce sobre a superfície da asa;
ρ = densidade do ar;
v = velocidade do escoamento.
De acordo com Nussenzveig (2004), a 3ª Lei de Newton diz que “A toda ação corresponde uma reação, igual e contrária, ou seja, as ações mútuas de dois corpos um sobre o outro são sempre iguais e dirigidas em sentidos opostos”. Na aviação, tem-se que, quando um avião está em movimento horizontal, passando pelo ar que o envolve, há alteração do seu momento linear, devido à inclinação do perfil da asa.
Devemos lembrar que a pressão do ar sobre a asa de uma aeronave em voo é menor que a pressão atmosférica, e a pressão abaixo da asa é igual ou maior que a pressão atmosférica.
Uma vez que há uma tendência dos fluidos de moverem-se das áreas de alta pressão para as de baixa pressão, o ar movimenta-se no sentido da parte inferior da asa, afastando-se da fuselagem e para cima, em volta da ponta da asa (ABREU, 2015).
O fluxo de ar resultante da diferença de pressão na asa forma redemoinhos denominados de Vortex. O ar na superfície superior tem uma tendência a se mover na direção da fuselagem e para fora do bordo de fuga da asa, e essa corrente de ar tende a formar um Vortex similar na parte interna do bordo de fuga.
O Vortex aumenta o arrasto devido à turbulência.
É uma força devido à resistência do ar, que se opõe ao avanço de um corpo e está diretamente ligada à forma do corpo, sua rugosidade e ao efeito induzido, resultante da diferença de pressão entre a parte inferior e superior da asa. Pode ser classificado em:
CD = coeficiente de resistência aerodinâmica da asa;
p = densidade do ar;
S = área da superfície da asa;
v = velocidade da aeronave;
D = força de resistência ( Drag).
É a força responsável por impulsionar a aeronave para frente, originada por algum tipo de motor, podendo ser:
É uma grandeza relacionada à força da gravidade (todos os corpos no campo gravitacional terrestre são atraídos). Para as operações de pouso e decolagem, é um elemento importante, pois, quanto maior o peso, maior o comprimento de pista para conseguir atingir a velocidade suficiente para decolar. O mesmo acontece na aterrissagem, por conta da lei da inércia.
Perfis ou aerofólios são as partes da aeronave destinadas a produzir sustentação como as asas, estabilizadores, hélices e outras. Têm forma achatada, alongada e perfil típico.
Os aerofólios são projetados de maneira a se obter uma reação aerodinâmica devido ao escoamento de um fluido ao seu redor (RODRIGUES, 2014).
A geometria de um aerofólio determina a quantidade de turbulência que será produzida em voo. Por conseguinte, a forma da asa afeta sua eficiência.
As propriedades da seção de aerofólio diferem das propriedades da asa, ou da aeronave, devido ao formato plano da asa. Uma asa pode ter diversas seções transversais (de aerofólio), desde a parte fixa no corpo da aeronave até a sua ponta, com alteração da espessura, torção e enflechamento. As propriedades aerodinâmicas resultantes da asa são determinadas pela ação conjunta de cada seção de aerofólio em toda a extensão da asa.
A turbulência durante o voo é controlada principalmente pela razão entre a corda do aerofólio e a espessura máxima, essa razão é denominada alongamento. Podemos dizer que asas mais finas produzem maior atrito de superfície, assim como a baixa razão de fineza produz maior quantidade de turbulência. A melhor asa para uma aplicação específica é aquela que está entre os dois extremos, para controlar tanto a turbulência quanto o atrito de superfície (ABREU, 2015).
As forças atuantes sobre a superfície de um aerofólio são elencadas na Tabela 1.
Tabela 1 - Forças atuantes sobre a superfície de um aerofólio
Fonte: Adaptado de Goldner (2012).
As forças aerodinâmicas que atuam sobre um aerofólio exposto a uma corrente de ar estão representadas na Figura 7.
De acordo com Rayner (1992), o projeto de uma aeronave é interativo e deve ser executado em três etapas: projeto conceitual, projeto preliminar e projeto detalhado. O projeto inicia-se com a definição dos requisitos que deverá atender, aliado às restrições existentes, compondo a análise dos requerimentos. O projeto conceitual é definido a partir dessas restrições existentes e das tecnologias disponíveis. Para Pahl e Beitz (1996), o projeto conceitual engloba as fases: definição de parâmetros de projetos, tecnologias disponíveis, proposta do desenho conceitual, análise aerodinâmica, estrutural, estabilidade e controle, bem como desempenho esperado, conforme Figura 8.
De acordo com Rosa (2006), o processo deve ser executado e realimentado, até que o projeto conceitual e preliminar esteja concluído, pois trata-se de um projeto complexo, envolvendo diferentes parâmetros multidisciplinares. É a partir do projeto conceitual que se tem a configuração da asa, empenagens e fuselagem da aeronave, conforme descritos na Aula 1 desta Unidade, sendo detalhadas em etapa posterior do projeto.
No projeto preliminar, deve haver uma avaliação rigorosa de um ou mais modelos potenciais de aeronaves, nas diferentes áreas projetuais: aerodinâmica, estrutura, estabilidade, controle e desempenho. A validação deve ser realizada por meio de testes e simulações, assim como o dimensionamento detalhado dos componentes da aeronave. Nesta etapa, ainda estima-se a massa, performance, análise de carga e definição do projeto estrutural, obtendo-se, segundo Roskam (1997) e Raymer (1992), a configuração final da aeronave.
O projeto detalhado faz a intermediação entre o projeto preliminar e a produção, definindo todos os aspectos construtivos da aeronave, visando a facilitação do processo construtivo, definindo os encaixes e correta fabricação das peças e do conjunto. Antes da construção, as soluções adotadas em projeto devem ser testadas, a fim de garantir a fidelidade do projeto, além de permitir a simulação de materiais e descrições necessárias.
A construção dos protótipos pode ser realizada com diferentes materiais, dependendo da finalidade e etapa de elaboração, frente ao projeto da aeronave (ROSA, 2006):
Como visto nesta aula, a aerodinâmica estuda o movimento de fluidos gasosos, relativo às suas características e às forças que exercem em corpos sólidos neles imersos, sendo, portanto, de grande importância no processo de elaboração do projeto da aeronave, uma vez que influenciam no desempenho e estabilidade, culminando em sua forma e estrutura (RODRIGUES, 2011).
O projeto aerodinâmico deve estar presente no projeto conceitual (parâmetros geométricos das superfícies) e, posteriormente, na definição das análises realizadas para desempenho e estabilidade da aeronave. Um exemplo prático é a conformação da asa, que exerce influência direta no desempenho, sustentação da aeronave, dentre outros. Deve ser observada, também, a posição de fixação da asa à fuselagem. As principais formas para uma asa, assim como suas principais características, estão descritas na Tabela 1.
Tabela 2 - Formas x Características das Asas de Aeronaves
Fonte: Elaborada pelo autor.
Para ser elaborado, precisa considerar fatores operacionais e parâmetros obtidos na realização dos cálculos prévios de aerodinâmica, desempenho e estabilidade, que permitem o dimensionamento e definição da relação resistência x peso da estrutura, para a obtenção da melhor eficiência estrutural. É realizado a partir de informações disponíveis:
Para a definição do projeto de estabilidade, utiliza-se o conceito de a estabilidade estar na capacidade da aeronave de, após sofrer perturbação, voltar ao estado original, estabelecendo a configuração das superfícies de sustentação e controle para o voo horizontal. Para isso, o controle depende da eficiência da atuação das superfícies de controle (intensidade das forças e momentos gerados e a resposta dada a eles) (RAUMER, 1992; ROSA, 2006). Não se pode esquecer do centro de gravidade, onde os movimentos descritos na Figura 9 são realizados em torno deste.
O entendimento dos fenômenos que envolvem a aerodinâmica é de capital importância para o desenvolvimento do projeto de uma aeronave. Muitos dos aspectos estudados para se definir a melhor configuração de uma aeronave são originados do conhecimento sobre a estabilidade da aeronave e do cálculo estrutural, que têm como ponto de partida o estudo das forças que interagem em um sólido imerso em um fluido, no nosso caso, da relação entre a aeronave e o ar.
De forma geral, os conceitos apresentados abordaram de forma simples e objetiva as ferramentas úteis e aplicáveis para o projeto aerodinâmico de uma aeronave, dentre essas ferramentas, a força de sustentação e as características de um perfil aerodinâmico.
Nesta aula, você teve a oportunidade de:
Aula Concluída
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