Como funciona o avião

Os aviões estão entre as invenções mais incríveis. Um Boeing 747, por exemplo, pode levar 600 pessoas - e pesa quase 400 toneladas quando está abastecido para a decolagem. Mesmo assim, ele percorre a pista e, como num passe de mágica, se levanta no ar e pode voar quase 13.000 km sem parar. É impressionante, não?

Para entender o que faz um 747 - ou qualquer outra aeronave - voar, aperte o cinto e continue lendo. Este artigo explica a teoria do vôo e analisa as diferentes peças de um avião -e de quebra ainda sugere links ótimos para obter mais informações.

Forças aerodinâmicas

Antes de aprender como as asas mantêm os aviões no ar, é importante compreender as quatro forças básicas da aerodinâmica: sustentação, peso, empuxo e arrasto.

Vôo em linha reta e nivelado

Para um avião voar em linha reta e nivelado as seguintes relações devem ser verdadeiras:

• Empuxo = Arrasto
• Sustentação = Peso

Se o arrasto superar o empuxo, o avião vai perder velocidade. Se o empuxo aumentar e superar a força de arrasto, o avião vai acelerar.

Da mesma forma, se a sustentação for menor que o peso do avião, o avião descerá. Ao aumentar a sustentação, o piloto faz o avião subir.

Empuxo

O empuxo é uma força aerodinâmica que deve ser criada para que o avião supere o arrasto (observe que o empuxo e o arrasto atuam em sentidos opostos na figura acima). Os aviões geram empuxo usando hélices, motores a jato ou foguetes. Na figura acima, o empuxo provém de uma hélice - que funciona como uma versão muito potente de um ventilador doméstico puxando o ar pelas lâminas.

Arrasto

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.

Mas e as outras duas forças aerodinâmicas - peso e sustentação?

PESO E SUSTENTAÇÃO

PESO

Este é fácil. Todo objeto na Terra tem um peso (incluindo o ar). Um 747 pode pesar 395 toneladas - e mesmo assim consegue decolar (veja a tabela ao lado para mais especificações do 747).

SUSTENTAÇÃO

Sustentação é a força aerodinâmica que mantém um avião no ar. Provavelmente é a mais complicada das quatro para explicar sem usar muita matemática. Nos aviões, grande parte da sustentação necessária para manter o avião no ar é criada pelas asas (embora parte seja criada por outras peças da estrutura).

Um conceito fundamental na aerodinâmica é a idéia de que o ar é um fluido. Vamos analisar esse conceito mais atentamente.

Fatos sobre o 747-400

comprimento: 232 pés (~ 71 metros)
altura: 63 pés (~ 19 metros)
envergadura: 211 pés (~ 64 metros)
área de asa: 5.650 pés quadrados (~ 525 metros quadrados)
peso máx. decolagem: 870.000 libras (~ 394.625 kg)
peso máx. aterrissagem: 630.000 libras (~ 285.763 kg)
(explica por que os aviões precisam despejar combustível durante pousos de emergência)
motores: quatro motores turbojato, com 57.000 libras de empuxo cada um
capacidade de combustível: até 57.000 galões (~ 215.768 litros)
alcance máximo: 7.200 milhas náuticas (~ 13.000 km)
velocidade de cruzeiro: 490 nós (~ 900 km/h)
distância de decolagem: 10.500 pés (~ 3.200 metros)

Algumas considerações sobre fluidos

Como mencionamos, um dos principais conceitos na aerodinâmica é a idéia de que o ar é um fluido. Como todos os gases, o ar flui e se comporta de maneira similar à água e outros líquidos. Mesmo que ar, água e mel possam parecer substâncias totalmente diferentes, todas obedecem ao mesmo conjunto de relações matemáticas. Na verdade, os testes básicos de aerodinâmica às vezes são realizados debaixo d'água.
Outro conceito importante é o fato de que a sustentação existe apenas na presença de um fluido em movimento. Isso também se aplica para o arrasto. Não importa se o objeto está parado e o fluido em movimento, ou se o fluido está parado e o objeto se movendo. O que realmente importa é a diferença relativa de velocidade entre o objeto e fluido.

Conseqüentemente, não se pode criar sustentação ou arrasto no espaço (onde não existe fluido). Isso explica por que uma nave espacial não tem asas, a menos que passe algum tempo no ar. O ônibus espacial é um bom exemplo de espaçonave que passa grande parte de seu tempo no espaço, onde não existe ar para criar a sustentação. Entretanto, quando o ônibus retorna à atmosfera terrestre, suas asas espessas produzem sustentação suficiente para permitir que o ônibus plane até aterrissar.

Explicações populares (e imperfeitas) sobre sustentação

Ao ler qualquer livro escolar sobre aerodinâmica, você encontrará inúmeros métodos matemáticos para calcular a sustentação. Infelizmente, nenhuma dessas explicações é particularmente satisfatória, a menos que você seja um gênio da matemática.

Há muitas explicações simplificadas sobre a sustentação na Internet e em alguns livros didáticos. Duas das mais populares explicações atuais são a explicação do caminho mais longo (também conhecida por princípio de Bernoulli ou igual tempo de trânsito) e a explicação newtoniana (também conhecida por explicação de transferência de momento ou deflexão do ar). Embora muitas dessas explicações sejam fundamentalmente falhas, elas ainda podem contribuir para um entendimento intuitivo de como é criada a força de sustentação.

A explicação comum ou caminho mais longo

A explicação comum, ou do caminho mais longo, diz que a parte superior de uma asa é mais curva que a parte inferior. As partículas de ar que se aproximam do bordo de ataque da asa devem percorrer o caminho por cima ou por baixo da asa. Suponhamos que duas partículas próximas se separem no bordo de ataque e se reagrupem depois, no bordo de fuga da asa. Visto que as partículas que se deslocam na parte superior percorrem uma distância maior em igual tempo, elas devem se mover mais velozmente.

O princípio (ou lei, ou teorema) de Bernoulli, um fundamento da dinâmica dos fluidos, define que, conforme aumenta a velocidade de fluxo do fluido, diminui sua pressão. A explicação do caminho mais longo (igual tempo de trânsito) deduz que esse ar que se desloca mais rápido desenvolve menor pressão na parte superior, ao passo que o ar com deslocamento mais lento mantém maior pressão na parte inferior da asa. Essa diferença de pressão basicamente "chupa" a asa para cima (ou empurra a asa para cima, dependendo do ponto de vista).

Por que isso não está inteiramente correto?

Existem várias falhas nessa teoria, embora seja ela uma explicação bastante comum, facilmente encontrada em livros didáticos e enciclopédias:

A premissa de que duas partículas de ar, conforme descrito acima, se reagrupam no bordo de fuga da asa não tem fundamento. Na verdade, essas duas partículas não têm "conhecimento" uma da outra, e não existe um motivo lógico para que essas partículas se agrupem na parte posterior da asa, no mesmo momento.

Para diversos tipos de asa, a parte superior é maior que a parte inferior. Todavia, muitas asas são simétricas (identicamente moldadas nas partes superior e inferior). Essa explicação também prevê que aviões não podem voar de cabeça para baixo, embora saibamos que muitas aeronaves têm essa capacidade.

Por que isso não está inteiramente errado?

A explicação do caminho mais longo está correta em mais de um aspecto. Primeiro, o ar na parte superior da asa se move mais rápido que o ar na parte inferior - na verdade, ele se move mais rápido do que a velocidade necessária para as partículas de ar da parte superior e inferior se reagruparem, como sugerem muitas pessoas. Segundo, a pressão geral na parte superior de uma asa produtora de sustentação é menor que a pressão na parte inferior da asa, e é essa diferença líqüida de pressão que cria a força de sustentação.

A explicação newtoniana

Isaac Newton declarou que, para cada ação, existe uma reação igual e oposta (Terceira Lei de Newton). Um bom exemplo está em dois patinadores em uma pista de gelo. Se um empurra o outro, ambos se movem - um pela força da ação e outro pela força da reação.

No final do século 17, Isaac Newton formulou a teoria de que as moléculas de ar atuam como partículas individuais e o ar que atinge a superfície inferior de uma asa atua como chumbinho ricocheteando em uma placa metálica. Cada partícula individual ricocheteia na superfície inferior da asa e é desviada para baixo. Conforme atingem a parte inferior da asa, as partículas concedem parte de sua cinética à asa, gradualmente empurrando a asa para cima com cada impacto molecular.

Nota: Na verdade, as teorias de Newton sobre fluidos foram desenvolvidas para batalha naval, a fim de ajudar a reduzir a resistência que a água exercia nos navios - a meta era criar um barco mais rápido e não um avião melhor. Ainda assim, as teorias são aplicáveis, visto que água e ar são ambos fluidos.

Por que isso não está inteiramente correto?

A explicação de Newton oferece uma imagem um tanto intuitiva de como a asa desvia o fluxo de ar que passa por ela, com algumas exceções:

A superfície de cima da asa é totalmente excluída do cenário. A superfície de cima de uma asa contribui substancialmente para afetar o fluxo do fluido. Quando apenas a superfície inferior da asa é considerada, os cálculos de sustentação resultantes são um tanto imprecisos.

Quase cem anos depois da teoria de cascos de navio de Newton, um homem chamado Leonhard Euler notou que o fluido que se move em direção a um objeto desvia antes mesmo de atingir a superfície, sem chance de ricochetear na superfície. Parecia que o ar não se comportava da mesma forma que os chumbinhos. Em vez disso, as moléculas interagem e se influenciam, de forma que é difícil prever usando métodos simplificados. Essa influência vai além do ar em volta da asa.

Por que isso não está inteiramente errado?

Embora uma pura explicação newtoniana não produza estimativas precisas de valores de sustentação em condições de vôo (por exemplo, o vôo de um jato de passageiros), ela prevê muito bem a sustentação de certos regimes de vôo. Para condições de vôo hipersônico (velocidades que excedem em cinco vezes a velocidade do som), a teoria de Newton prova ser verdadeira. Em altas velocidades e densidades muito baixas de ar, as moléculas de ar se comportam como os chumbinhos exemplificados por Newton. O ônibus espacial opera sob essas condições durante sua fase de reentrada.

Diferentemente do conceito de igual tempo de trânsito, o princípio de Newton diz que o ar é desviado para baixo enquanto percorre a asa. Embora não se deva ao contato das moléculas contra a superfície inferior da asa, o ar é certamente desviado para baixo, resultando em um fenômeno denominado downwash