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Tutorial Fly Higher IV
A CIÊNCIA DO VOO
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Aerodinâmica
Princípios elementares
Para que um avião consiga voar
são necessárias duas coisas:
1) Tração (T)
2) Sustentação (L)
Representação do equilíbrio de forças
Estas
forças
atuam
inversamente a outras duas que
desaceleram o avião e o
mantêm no chão ou o puxam
para baixo em direção ao chão:
1) Arrasto (D)
2) Peso (W)
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Aerodinâmica
Relembrando os conceitos
Alguns dos termos que vamos falar de seguida já te
devem ser familiares. Consegues lembrar-te do que
significam?
Por palavras tuas, define os seguintes termos:
Peso
Sustentação
Tração
Arrasto
Todos representam as quatro
FORÇAS.
Consegues definir o significado
de FORÇA? Sabes como é que
esta é medida? Qual a
diferença entre peso e massa?
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As três leis de Newton
Relembrando os conceitos
Os próximos slides vão levar-nos
até ao trabalho de Sir Isaac
Newton e das suas Três Leis de
Movimento.
Estas leis são muito importantes
para a Física. Consegues lembrarte o que diz cada lei?
Sir Isaac Newton (1643 – 1727)
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As três leis do Movimento
de Newton
Primeira lei: Um objeto que está em repouso ficará em repouso e um
objeto que está em movimento ficará em movimento a não ser que uma
força aja sobre ele.
Segunda lei: A aceleração adquirida por um corpo é diretamente
proporcional à intensidade resultante das forças que actuam sobre o corpo,
em direcção e no sentido dessa força resultante e é inversamente
proporcional à sua massa. força = massa x aceleração (f = ma)
Terceira lei: Para qualquer movimento, há uma reação igual e oposta.
Motor empurrado para a frente
Fluxo empurrado para
trás
Motor a jato
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Terceira
Lei de Newton
Aerodinâmica
Sustentação e Arrasto
SUSTENTAÇÃO é a força aerodinâmica perpendicular à direção do
fluxo de ar. É a presença da sustentação que sustem um avião no
ar.
ARRASTO é a força aerodinâmica paralela à direção do fluxo de
ar. O arrasto é o “inimigo” de qualquer voo e deve ser
controlado para que todo e qualquer avião consiga voar.
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Aerodinâmica
Tração e Peso
TRAÇÃO é necessária para que qualquer veículo consiga ser empurrado
para a frente (e é apenas possível graças aos motores). Esta força não só
deve ser maior do que a resistência do próprio ar ou TRAÇÃO, mas também
deve ser forte o suficiente para empurrar o avião para a frente com uma
velocidade suficiente para que as asas provoquem SUSTENTAÇÃO.
PESO é a força total do avião incluindo todos os passageiros, tripulação,
combustível e carga. A força SUSTENTAÇÃO deve ser compensada pela
força PESO para que o avião consiga voar.
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Aerodinâmica
As bases
No slide 2 vimos o diagrama de
forças que atuam num avião,
durante um voo (ou enquanto este
está no ar).
O diagrama de forças
Desenha um diagrama de forças que
ilustre as seguintes situações:
a) O avião está parado sem
se
movimentar no chão.
b) O avião está a movimentar-se na
pista, em taxying, sem levantar voo.
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Aerodinâmica
A sustentação
Assim que o fluxo de ar passa na asa, a pressão exercida na
superfície superior diminui, enquanto que a pressão na
superfície inferior da asa aumenta.
PRESSÃO BAIXA
PRESSÃO ALTA
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Aerodinâmica
A sustentação
PRESSÃO BAIXA
PRESSÃO ALTA
Esta diferença de pressão resulta numa força que empurra a
asa do avião para cima e para baixo com a mesma intensidade.
A força exercida para cima atua diretamente na direção do
fluxo de ar – daí a SUSTENTAÇÃO!
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Aerodinâmica
E o que dizer relativamente ao ARRASTO?
ARRASTO é a força resistente que empurra para trás fazendo um
movimento contrário à direção do avião. O ar resiste ao movimento do
avião, e esta força de resistência é denominada arrasto (ou atrito). Há
ainda um arrasto adicional provocado pela fricção entre o ar e o avião.
SUSTENTAÇÃO
FORÇA
RESULTANTE
Arrasto
Os motores que nos
empurram para a
frente!
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A forma da asa
O perfil alar
A forma e o tamanho da asa são muito importantes!
A forma mais básica é chamada de PERFIL ALAR.
Linha média
Espessura
Acorde
Qualquer variação no perfil alar (ajustando a espessura, linha média e
o acorde) provocará resultados totalmente diferentes. O contributo
principal dos irmãos Wright foi a descoberta da forma (ótima) da asa do
avião capaz de suportar o peso e a velocidade do avião e capaz de o
controlar através do uso de flaps que podem ser ajustados à forma da
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asa de acordo com as diferentes fases do voo.
O Coeficiente de Sustentação
Qualquer asa de avião pode ser testada num túnel de vento,
testando assim a respetiva eficiência de sustentação através do
Coeficiente de Sustentação. A sustentação resultante pode ser
calculada através de uma fórmula que tem em consideração o
tamanho do perfil alar e a velocidade do avião.
CL = coeficiente de sustentação
p = densidade do ar
S = área da superfície da asa
v = velocidade da aeronave
L = força de sustentação (Lift)
L = ½ ρ V2S CL
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Aerodinâmica
Outros fatores
De realçar que a sustentação depende muito significativamente da
VELOCIDADE (na fórmula representado por V2) com a qual o avião
se desloca. Isto é muito importante antes do avião levantar voo, isto
é, quando está a circular no chão e enfrenta forças resistentes
adicionais.
De que força é que estamos a falar?
Uma vez que a sustentação
depende tanto da velocidade,
como do peso (em parte) do
combustível e dos motores, a
TECNOLOGIA DOS MOTORES
assume uma enorme
importância para a indústria
aeronáutica.
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Aerodinâmica
Outros fatores
Reduzir as forças opostas – mais obviamente o PESO – é muito importante,
também. Então, embora os materiais com os quais o avião é construído
tenham de ser extremamente fortes, não podem ser pesados. Peso leve, mas
materiais super fortes (como ligas de alumínio) têm sido cruciais para o
desenvolvimento de aviões modernos.
Outros
Fibras de carbono
Aço
Camadas de carbono
Fibras de vidro
Alumínio
Pilares de Alumínio/aço/titânio
Titânio
Compósitos
Alumínio
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Aerodinâmica
Densidade do Ar
De notar que a fórmua do Coeficiente de Sustentação incluiu algo que
provavelmente nunca tinhas pensado anteriormente:
DENSIDADE DO AR.
O que é que isto significa?
A densidade do ar é simbolizada na fórmula pela letra grega ρ e, em praticamente
todos os países Europeus a pressão ao nível do mar é ρ = 1.225 kg/m³.
Debate:
Achas que seria mais fácil ou mais difícil para um
avião decolar de um aeroporto localizado numa
altitude elevada (por exemplo o aeroporto
Daocheng na China que se localiza a 648m de
altitude) se comparado com um aeroporto
localizado ao nível do mar, tal como o Schiphol na
Holanda?
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Aerodinâmica
De que outra forma podemos aumentar a SUSTENTAÇÃO?
FLUXO DE AR
6˚
10˚
16˚
Também podemos ter maior SUSTENTAÇÃO de uma asa alterando o
ângulo que é atingido pelo fluxo de ar.
A isto chamamos AdA – Ângulo de Ataque.
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Aerodinâmica
Aumentar a SUSTENTAÇÃO
Aqui
encontramos
um
gráfico de valores da
ELEVAÇÃO gerada por uma
asa em diferentes ângulos de
ataque (AdA’s).
Pode verificar pela linha azul
que a ELEVAÇÃO aumenta
proporcionalmente
em
relação ao AdA – até que, de
repente, desce.
Isto tem grandes implicações
na decolagem de um avião.
Porquê?
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Aerodinâmica
Ângulo de Ataque
Mas, como te recordas, existem DUAS forças criadas
pelo aerofólio à medida que passa através do ar.
Qual é a outra?
Na tua opinião qual será o seu efeito à medida que o
ângulo de ataque aumenta ?
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Aerodinâmica
Ângulo de Ataque
ARRASTO!
O inimigo dos voos!
Se criarmos demasiado arrasto ao aumentar o AdA,
criamos novos problemas.
Podemos observar isto ao examinar gráficos
experimentais que indicam o ARRASTO gerado a
diferentes AdAs…
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Aerodinâmica
Aumentar o ARRASTO
Aqui é-nos apresentado
outro gráfico de valores que
apresenta
o
ARRASTO
gerado por uma asa em
ângulos
de
ataque
crescentes.
Podes verificar pela linha
vermelha que o ARRASTO
cresce exponencialmente à
medida
que
o
AdA
aumenta.
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Aerodinâmica
Demasiado ARRASTO?
Ao sobrepormos estes dois
gráficos de valores verificamos
que numa determinada altura
o ARRASTO ultrapassará a
ELEVAÇÃO a certos ângulos de
ataque.
A isto chamamos PONTO DE
ESTAGNAÇÃO.
O que pensas que acontecerá a
um avião que alcança este
ponto?
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Aerodinâmica
Tudo na Conceção
O aerofólio básico
pode ser visto na
construção de uma
asa.
Embora
a
parte
central da asa esteja
fixa,
as
bordas
dianteiras e traseiras
movem-se.
Porquê?
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Aerodinâmica
Tudo na Conceção
1.
2.
3.
As partes móveis estão fixas na asa de modo a ajudar a manobra do
avião ao alterar a forma da asa do aerofólio, como apresentado.
Consegues identificar qual a forma adequada para a aterragem,
para a viagem e para levantar voo? Consegues imaginar porque é
que têm de ter essa forma?
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Aerodinâmica
Manobrar o Avião
É a combinação destas “superfícies de controlo” que permite que o avião
mude de direção através do ar. Existem três formas de mover um avião
para alterar a sua posição…
Rolar – é quando o avião pode
rolar o eixo central do seu corpo
no ar.
Desvio de Inclinação – é quando
o avião se inclina para cima ou
para baixo para se elevar ou
descer no ar. Isto também afeta
o AdA.
Desvio de direção – Isto permite
que o avião se mova para a
esquerda ou para a direita
apenas num eixo horizontal.
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Aerodinâmica
Manobrar o Avião
Rolar – isto é controlado na superfície traseira das asas e pode mover-se para cima
e para baixo na direção oposta para rolar o avião.
Desvio de inclinação – Controlado pela pala área da cauda que se move para
cima e para baixo (de novo na borda traseira).
Desvio de direção – Esta é a “direção” (esquerda ou direita) e é uma superfície
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horizontal na zona traseira da secção da cauda.
Aerodinâmica
Manobrar o Avião
Que parte do
avião se
move, que
eixo do
avião?
ROLAR = Os ailerons
movem-se para cima
ou para baixo em
direções opostas
DESVIO DE DIREÇÃO =
Movimento do leme
de direção para a
esquerda ou direita
DESVIO DE INCLINAÇÃO
= Os elevadores movemse para cima ou para
baixo ao mesmo tempo
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E finalmente...
A Aeronáutica é um estudo complexo, mas fascinante. Esta
apresentação é apenas uma breve abordagem ao tópico.
Todavia, os princípios básicos aqui delineados aplicam-se a
todos os aviões de asas fixas e são o fundamento d’ “A
Ciência do Voo”. Estes princípios básicos encontram-se,
como vimos, na ciência que se estuda na escola.
Esperamos que queiras aprender mais e que procures
mais informação na Internet – existe muita informação
disponível a diferentes níveis de compreensão científica.
Talvez no futuro possas vir a ser um engenheiro de Aeronáutica!
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