Aerodinâmica

Vórtice criado pela passagem da asa do avião e revelado pela fumaça

Aerodinâmica é o estudo do movimento de fluidos gasosos, relativo às suas propriedades e características, e às forças que exercem em corpos sólidos neles imersos.

Aerodinâmica é também a parte da Física que estuda a força do ar sobre os corpos sólidos em movimento e a dinâmica dos fluidos.

De uma forma geral, a aerodinâmica, como ciência específica, só passou a ganhar importância industrial com o surgimento dos aviões e dos automóveis (aerodinâmica automotiva) pois estes precisavam se locomover tendo o menor atrito possível com o ar pois assim seriam mais rápidos e gastariam menos combustível.

O estudo de perfis aerodinâmicos, ou aerofólios, provocou um grande salto no estudo da aerodinâmica. Neste início o desenvolvimento da aerodinâmica esteve intimamente ligado ao desenvolvimento da hidrodinâmica que apresentava problemas similares, e com algumas facilidades experimentais, uma vez que já havia tanques de água circulante na época embora não houvesse túneis de vento. George Cayley é considerado o Pai da Aerodinâmica.

Forças da aerodinâmica da aviação

Esquema das quatro forças da aerodinâmica, atuando na asa de um avião.

Peso

O peso é uma força que é sempre dirigida para o centro da terra: trata-se da força da gravidade. A magnitude desta força depende de todas as partes do avião, mais a quantidade de combustível, mais toda a carga (pessoas, bagagens, etc.). O peso é gerado por todo o avião. Mas nós podemos simplesmente imaginá-la como se atuasse num único ponto, chamado centro de gravidade. Em voo, o avião gira sobre o centro de gravidade, e o sentido da força do peso dirige-se sempre para o centro da terra. Durante um voo, o peso do avião muda constantemente à medida que o avião consome combustível. A distribuição do peso e do centro de gravidade pode também mudar, e por isso o piloto deve constantemente ajustar os controles, ou transferir o combustível entre os depósitos, para manter o avião equilibrado.

Sustentação

Para fazer um avião voar, deve ser gerada uma força para compensar o peso. Esta força é chamada sustentação e é gerada pelo movimento do avião através do ar. A sustentação é uma força aerodinâmica ("aero" significa ar, e " dinâmica" significa movimento). A sustentação é perpendicular (em ângulo reto) à direção do escoamento incidente (vento). O escoamento incidente e o sentido/direção do voo não são necessariamente os mesmos, sobretudo em manobras. Tal como acontece com o peso, cada parte do avião contribui para uma única força de sustentação, mas a maior parte da sustentação do avião é gerada pelas asas. A sustentação do avião funciona como se atuasse num único ponto, chamado centro de pressão. O centro de pressão é definido tal como o centro de gravidade, mas usando a distribuição da pressão em torno de toda a aeronave, em lugar da distribuição do peso.No centro de pressão atuam somente forças. Além do centro de pressão, outro ponto no aerofólio é de grande importância no projeto de uma aeronave: o centro aerodinâmico. Neste, além das forças, surge um momento chamado Momento de Arfagem. O coeficiente de momento de arfagem não varia quando variamos o ângulo de ataque. O coeficiente de momento é um coeficiente adimensional que qualifica e quantifica se, para certo aerofólio, há um momento picante ou cabrante sobre o engaste da asa. Este momento é fundamental, por exemplo, na determinação das cargas aerodinâmicas para definição da estrutura e para o projeto de sistemas de controle, como o profundor.

Arrasto

Modelo em escala de um caça F-18 num túnel de vento.

Teste de aerodinâmica automotiva do protótipo Schlörwagen.

À medida que o avião se move através do ar, há uma outra força aerodinâmica presente. O ar resiste ao movimento do avião, e esta força de resistência é denominada arrasto (ou atrito). Tal como a sustentação, há muitos fatores que afetam a magnitude da força de arrasto, como a forma do avião, a viscosidade do ar e a velocidade. E tal como acontece com a sustentação, consideram-se usualmente todos os componentes individuais como se estivessem agregados num único valor de arrasto de todo o avião. O sentido da força de arrasto é sempre oposto ao sentido do vôo, e o arrasto atua através do centro de pressão.

Quando um avião aumenta o ângulo de ataque, aumenta também a sustentação; mas há uma geração de gradientes de pressão adversos. A partir de um certo ângulo de ataque, estes gradientes de pressão adversos resultam no descolamento da camada limite, cuja geração de vórtices de von Kárman caracteriza o fenômeno conhecido como estol. No estol, perde-se sustentação, e o arrasto aumenta significantemente. É por este fato que, na fase de decolagem de um aeromodelo, não se deve fazê-lo subir em ângulo muito acentuado. Algumas aeronaves, principalmente aquelas com projeto de cauda em T, correm o risco de sofrerem "deep stall" (estol profundo), pois a esteira gerada na asa durante o estol cobre o estabilizador horizontal, fazendo-a perder capacidade de controle e impedindo que a aeronave retorne para sua altitude inicial. Por este motivo, além disso, aeronaves acrobáticas devem possuir um projeto de empenagem que garanta a saída do estol e parafuso. Aeronaves com sistemas de controle mais complexos, como os caças e jatos comerciais, em geral possuem sistemas automáticos para proteção de estol, como o "shaker", o "Giardino", o "pusher" e os "winglets".

Empuxo

Para superar o arrasto, a maioria de aviões tem algum tipo de propulsão para gerar uma força chamada empuxo. A intensidade da força de empuxo depende de muitos fatores associados com o sistema de propulsão:

• O tipo de motor;
• O número de motores;
• O ajuste da aceleração;
• A hélice
• A velocidade.

O sentido da força de empuxo depende de como os motores estão colocados no avião. Na figura mostrada acima, dois motores a jacto estão posicionados sob as asa, paralelos à fuselagem, com a força atuando ao longo da linha central da aeronave. Em alguns aviões (tal como o Harrier) o sentido do impulso pode ser orientado para ajudar o avião a descolar numa distância muito curta. Para os motores de jacto, pode parecer confuso considerar que a pressão do avião é uma reação ao gás quente que se escapa da turbina. O gás quente é expelido pela parte traseira, originando uma força de reação em sentido contrário: o empuxo. Esta ação-reação é explicada pela terceira lei do movimento formulada por Newton.

Os motores mais conhecidos são os motores de explosão (Ciclo Otto) e os motores a jato (Ciclo Brayton). Mas também se utilizam motores elétricos e motores de foguete. Os motores elétricos e de explosão atuam usualmente por intermédio de hélices. Os motores a jacto e de foguete atuam pela força da reação.

Um planador é um tipo especial de avião que não tem nenhum motor. Alguma fonte externa da potência tem que ser aplicada para iniciar o movimento. Os aviões de papel são um exemplo óbvio, mas há muitos outros tipos de planadores. Alguns planadores são pilotados e rebocados para o alto por um outro avião, e a seguir são deixados livres para deslizar em distâncias longas antes de aterrar (motoplanadores decolam indenpendentemente). Uma vez no alto, a energia cinética é responsável pelo impulso, mas ela para se manter gasta energia potencial. No entanto os planadores recorrem também a uma outra fonte de energia disponibilizada pela natureza: as correntes de ar ascendente que fazem o planador ou avião ganhar energia potencial sem perda de energia cinética e assim se manterem mais tempo no ar sem uso de motores.

Ver também

• Aerostática
• Aviação
• Efeito solo
• Fluidodinâmica computacional
• Mecânica dos fluidos
• Refrigeração a ar
• Sustentação negativa