ESCOLA MAGNUS DOMINI

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1 ESCOLA MAGNUS DOMINI ROMPENDO A BARREIRA DO SOM: ESTUDANDO A FÍSICA ENVOLVIDA NA AERODINÂMICA DO AVIÃO SUPERSÔNICO Andrei Megre Souto Gustavo Henrique Silva Rodrigues João Victor Rodrigues Gasparin Rafael Honorato Bezerra MARINGÁ 2016

2 1. INTRODUÇÃO O homem sempre admirou o voo dos pássaros, aquelas habilidades e técnicas naturais o faziam sonhar em um dia poder voar. Com o passar dos tempos, alguns aventureiros tentaram de alguma forma imitar os seres de asas, mas não obtiveram sucesso. Leonardo da Vinci pesquisou a anatomia dos pássaros, obteve informações do comportamento das asas em relação ao ar. Tempos depois, tivemos a colaboração do brasileiro Alberto Santos Dumont, que conseguiu voar com seu 14-BIS, aeronave biplano, durante alguns metros, e com isto fez evoluir a aviação mundial. Com o efeito das guerras, a indústria aérea teve um grande impulso, promovendo estudos e pesquisas para o aperfeiçoamento dessas máquinas. Uma vez que se tornou possível alcançar velocidades cada vez mais altas, a ambição humana levou a indústria aeronáutica a desenvolver aeronaves capazes de atingir velocidades exorbitantes, tal qual a velocidade do som. Estes aviões, denominados supersônicos, são extremamente potentes e permitem que longos caminhos sejam percorridos em tempo reduzido. Ao serem comparados com aviões convencionais, observamos uma série de diferenças aerodinâmicas que podem justificar o motivo do supersônico ser mais rápido. Apesar disso, não se pode dizer que ele é 100% vantajoso, já que ao ultrapassar a barreira do som, causa o boom sônico, acarretando problemas tanto à natureza quanto às estruturas construídas pelo homem. O desafio atual é desenvolver uma tecnologia capaz de fazer o avião superar essa velocidade sem causar o boom sônico. Diante disso, entendemos a relevância de estudar essa tecnologia para apresentar à comunidade escolar as propriedades físicas que a envolvem, visto que, para que um avião voe, é necessário que algum tipo de força consiga vencer ou anular seu peso, para isso, fenômenos físicos ocorrem quando ele está em movimento. Logo, o objetivo do nosso trabalho é estudar o funcionamento de aviões supersônicos do ponto de vista físico e compará-los aos aviões convencionais.

3 2. HISTÓRIA DA AVIAÇÃO O interesse pela aviação não é recente, egípcios e gregos representavam alguns de seus deuses por figuras aladas, demonstrando fascínio por tais movimentos de voo. Já no século XV, Leonardo Da Vinci construiu um modelo de avião em forma de pássaro, mas não conseguiu fazê-lo voar. A famosa disputa de quem fez o primeiro avião chegar às nuvens ficou entre os estadunidenses Irmãos Wright e o brasileiro, Santos Dumont. A história não conseguiu chegar a um acordo sobre isso, ainda. De acordo com alguns documentos, os irmãos conseguiram levantar voo mais cedo, porém, tiveram poucas testemunhas e sua motivação era ganhar dinheiro, além de que dois eram avessos à mídia e pouco simpáticos. Já Santos Dumont, tem registros mais tardios, no entanto, suas tentativas de levantar voo foram feitas em locais públicos e com bastante plateia, além da presença da imprensa, documentando o feito e marcando-o como o primeiro a pilotar um avião mecânico. Na Imagem 1, a seguir, observamos a evolução dos primeiros traçados de Leonardo Da Vinci e o histórico 14 BIS de Santos Dumont. Imagem 1 O avião em forma de pássaro desenhado por Da Vinci e o aeroplano 14 BIS construído por Santos Dumont Ao observarmos essa imagem, constatamos modelos ainda muito rudimentares, mas que já exibiam características compatíveis com a física do voo.

4 3. FORÇAS FÍSICAS ENVOLVIDAS NO VOO COMO VOA UM AVIÃO CONVENCIONAL? Para que um avião possa voar, se costuma falar, no jargão aeronáutico, em quatro forças. O vento fluindo em uma determinada direção em relação ao avião produz uma força sobre o aeroplano chamada de força aerodinâmica total. Outra grandeza ligada à força aerodinâmica e também muito importante na descrição do voo é o ângulo de ataque, definido como o ângulo formado pela direção do vento e pela direção do avião. A força aerodinâmica total pode ser decomposta em duas componentes: a sustentação e o arrasto. Além desta, atuam sobre o avião o peso e a força de tração (ou propulsão). Assim, podemos definir quatro forças envolvidas na física do voo: Sustentação (S) é a componente da força aerodinâmica perpendicular à direção do movimento do voo. Podemos afirmar que é a força aplicada para sustentar o avião no ar. Arrasto (R), essencialmente uma força de atrito, é a componente da força aerodinâmica paralela à direção de voo, ou seja, o arrasto é uma força aerodinâmica devido à resistência do ar, que se opõe ao avanço de um corpo. Essa força depende de alguns fatores como a forma do corpo, a sua rugosidade e o efeito induzido resultante da diferença de pressão entre a parte inferior e superior da asa. Peso é a força da gravidade (P = mg) atuando sobre o avião e dirigida para o centro da Terra. Tração (T) é a força produzida pelo motor e é dirigida ao longo do eixo longitudinal do avião, isto é, trata-se de uma força responsável por impulsionar a aeronave para frente, sendo originada de algum tipo de motor. As imagens, a seguir, ilustram como essas forças atuam sobre o avião em duas situações: subindo como pode ser observado na Imagem 2 e descendo, como na Imagem 3.

5 Imagem 2 Forças sobre um avião no procedimento de subida com velocidade e taxa de ascensão constante Imagem 3 Forças sobre um avião no procedimento de subida com velocidade e taxa de aterrissagem constante Em ambas as imagens podemos observar que um avião durante o voo está sob efeito de forças distintas indispensáveis para seu funcionamento. Estas atuam em direções contrárias e garantem a sustentação do avião no ar, o maior desafio na aeronáutica. A seguir, descrevemos um passo a passo de como o avião voa: 1. Para fazer um avião sair do chão, a primeira coisa é superar a resistência do ar a objetos em movimento. Assim, a aeronave precisa ser impulsionada por hélices, foguetes ou turbinas. Essas últimas executam duas ações: primeiro, sugam o ar para dentro com uma grande hélice, como um exaustor gigante. 2. Depois de sugar o ar, as turbinas expelem esse ar do outro lado, comprimido e acelerado por várias hélices menores. O ar supercomprimido e acelerado que sai da turbina gera uma força em

6 sentido oposto, que empurra o avião pra frente fazendo-o vencer a resistência do ar. 3. Vencida a resistência do ar, é o momento de superar o peso de centenas de toneladas que gruda o avião ao solo. Quem vai fazer isso são as asas, especialmente desenhadas para criar um poderoso empuxo. 4. A asa mais usada em aviões comerciais tem a parte de cima curva e a de baixo reta. Esse tipo de construção induz uma diferença de velocidade na passagem do ar: o ar de cima passa mais devagar, pois percorre um caminho maior no mesmo tempo que o ar de baixo, que passa mais rápido. 5. A diferença na velocidade na passagem de ar faz com que a pressão na parte de cima da asa seja menor que embaixo. Com isso, a força do peso (que atua em direção ao solo) fica menor que a força de empuxo (que atua para cima). E o avião começa a voar. 6. Para que o piloto possa controlar o ângulo de subida ou descida e realizar ajustes na velocidade do avião, as asas possuem pás móveis chamadas flaps. Eles alteram a direção da passagem do ar, mudando a diferença de pressão na asa e, por consequência, o empuxo do avião. 7. Por fim, o avião não perde a direção devido à asa que fica em pé na parte de trás, o estabilizador vertical. Ele mantém a aeronave em linha reta. O estabilizador também tem um flap, chamado de leme, que é movido sempre que o piloto quer virar a aeronave para a esquerda ou para a direita. A Imagem 4 ilustra algumas das partes do avião descritas anteriormente e também a ação das forças necessárias para que o voo seja alçado. Imagem 4 Um avião convencional durante o voo e algumas de suas estruturas fundamentais

7 Todas as características até então descritas garantem que o avião possa sair do chão e sustentar-se no ar, porém, devemos levar em consideração que estas máquinas podem atingir as mais diferentes velocidades, classificando-as de acordo com sua capacidade. Em relação à velocidade que os aviões podem atingir, podemos classificá-los em: Subsônico: quando a sua velocidade verdadeira é inferior a 75% da velocidade do som. Transônico: quando a sua velocidade verdadeira varia entre 75% e 120% da velocidade do som. Supersônico: quando a sua velocidade verdadeira é superior à velocidade transônica, mas inferior a 5 vezes a velocidade do som. Entre o mach 1,2 e o mach 5.0.zz. Em que mach significa a medida de velocidade supersônica. Hipersônico: quando a sua velocidade verdadeira é superior a 5 vezes a velocidade do som. Dentre esses tipos de aviões, aprofundaremos nossa discussão nos aspectos físicos e nas características aerodinâmicas dos supersônicos. 4. CARACTERÍSTICAS DE UM AVIÃO SUPERSÔNICO E SUAS DIFERENÇAS EM RELAÇÃO A UM AVIÃO CONVENCIONAL No que diz respeito ao avião supersônico, faz-se necessário uma força na turbina muito maior, para assim sua velocidade alcançar os 1255 km/h (mach 1). Entre os aviões convencionais e os supersônicos as maiores diferenças são a potência e a aerodinâmica. No caso da aerodinâmica, os supersônicos têm uma característica muito perceptível: em geral, seu bico é apontado para baixo, além de ser extremamente afunilado e pontiagudo. Suas asas são de certa forma mais finas para que a pressão existente seja menor, consequentemente tornando o avião mais veloz.

8 A imagem 5 ilustra as características marcantes de um avião supersônico, tais como, bico afunilado e apontado para baixo e asas mais finas. Imagem 5 Avião Concorde, um modelo ícone dos supersônicos Essas características são as principais responsáveis pelas altas velocidades alcançadas e, consequentemente, o tempo reduzido de voo para determinados trechos. A imagem 6, a seguir, apresenta-nos um comparativo entre o Concorde e aviões convencionais (Boeing e Airbus), abordando tempo de viagem entre Londres e Nova Iorque, velocidade máxima em milhas por hora, altura em que voam e o número de passageiros. Imagem 6 Comparativo entre caraterísticas de aviões convencionais e o Concorde

9 Constatamos que ao compararmos o Concorde com aviões convencionais (Boeing e Airbus) o tempo de viagem entre Londres e Nova Iorque reduz-se pela metade, visto que a velocidade atingida é praticamente o dobro. No entanto, a capacidade para transportar passageiros no Concorde é bem menor, o que poderia explicar, em parte, uma de suas desvantagens do ponto de vista da aviação comercial. 4.1 Rompendo a barreira do som A barreira do som é um obstáculo físico que dificulta o fato de grandes objetos como o avião atinjam velocidades supersônicas. Essa expressão foi criada durante a Segunda Grande Guerra Mundial, devido aos avanços tecnológicos, os aviões começaram a atingir velocidades supersônicas e se depararam com os efeitos da compressibilidade do ar e outros efeitos aerodinâmicos não relacionados à compressibilidade. Os aviões começaram a sair de uso nos anos 1950 quando aviões passaram a quebrar a barreira do som rotineiramente. Quando uma aeronave ultrapassa a velocidade do som mach 1, que equivale a km/h ao nível do mar ou km/h em altitudes superiores a m, ela quebra a chamada barreira do som, provocando um estrondo sônico (também conhecido como Sonic Boom ou Boom Sônico), uma onda de pressão que é criada quando o avião voa a velocidades acima de mach 1. A Imagem 7 ilustra o momento do Boom Sônico. Imagem 7 A formação da saia decorrente do boom sônico, quando o avião supersônico atinge a velocidade do som

10 Composto por uma série de ondas de pressão menores que se juntam quando a barreira do som é atingida, o estrondo sônico acontece quando há uma mudança súbita na pressão. Em outras palavras, ele ocorre duas vezes quando uma aeronave sobrevoa um local: em primeiro lugar, quando a pressão aumenta de repente, e em segundo lugar, quando a pressão repentinamente retorna ao normal. Um avião só pode atingir velocidades supersônicas se sua aceleração permitir uma passagem rápida pela velocidade de mach 1, evitando a formação da barreira sônica. Se o avião persistir em mach 1, na sua frente se formaria uma muralha de ar, pois todas as ondas formadas continuariam no mesmo local em relação ao avião, criando o fenômeno barreira sônica. Podemos descrever a velocidade do som, a partir da seguinte equação: T/T 0 v0 é a velocidade do som a 0 sendo 331,45. T é a temperatura Kelvin do ambiente, ou seja, a temperatura em Graus Celsius mais 273,15. T0 é o valor correspondente a 0 C em escala absoluta, ou seja, 273,15 K. 4.2 Aerodinâmica Dentre as características já mencionadas, talvez a que nos chame mais atenção seja o formato das asas do supersônico. O efeito do enflechamento é semelhante ao da redução do tamanho das asas e possui as seguintes vantagens: o avião com asas enflechadas pode se aproximar mais da velocidade do som com menor arrasto e com maior controle; em uma asa enflechada, a perda de sustentação na proximidade do mach crítico é suavizada e retardada; em uma asa enflechada, a sustentação cresce mais lentamente com o aumento no ângulo de ataque, para o mesmo aerofólio, do que em uma asa reta. Ao mesmo tempo, a asa suporta ângulos de ataque maiores, embora produza menos sustentação e contribuição para manter a estabilidade lateral e direcional. A Imagem 8 apresenta uma asa enflechada.

11 Imagem 8 Asa enflechada usada nos aviões supersônicos Entretanto, o enflechamento das asas apresenta as seguintes desvantagens: o fluxo transversal de ar na asa, que é uma tendência ocasionada pelo enflechamento do fluxo se desviar da sua trajetória e ir em direção da raiz da asa, requer como solução a utilização de wing fences (funciona como uma barreira como sugerido pela tradução do nome fence, que significa cerca, e impede o passeio do ar pela asa, e o guia fortemente por todo o seu caminho, principalmente em áreas críticas à sustentação do avião. Isso educa o ar e mostra exatamente por onde ele precisa passar). A imagem abaixo (9) ilustra wing fences utilizadas em uma aeronave mais antiga. Imagem 9 Asa de avião de caça com as wing fences (indicadas pela flecha) barreiras metálicas para direcionar o fluxo de ar Observamos que na presença das wing fences, o ar percorre a asa em um espaço delimitado, facilitando o controle do avião.

12 5. APRESENTAÇÃO DOS PROTÓTIPOS COMPARATIVOS A fim de ilustrarmos as semelhanças e diferenças entre um avião convencional e um avião supersônico, apresentaremos dois aeromodelos de plástico que serão adquiridos em uma loja especializada na cidade de Maringá. As réplicas (em escala 1:144) serão montadas pelos integrantes do grupo com peças de encaixe, cola e adesivos. Após esse processo os aeromodelos serão pintados com tinta própria. 6. PERSPECTIVAS PARA UM FUTURO PRÓXIMO E o que podemos esperar para o futuro, no que diz respeito aos aviões supersônicos? Novos aviões com a tecnologia supersônica estão sendo desenvolvidos e podem passar a fazer parte do nosso dia a dia em breve. De forma geral, as indústrias que planejam a construção desses aviões visam maior velocidade, menor consumo de combustível e transporte de um maior número de passageiros. A seguir, apresentamos alguns projetos que indústrias aeronáuticas desenvolveram. A indústria Aerion espera que seu AS2 seja capaz de viajar a velocidades entre Mach 1,4 e 1,6 (1.487 a km/h) e transporte até 12 passageiros, com um alcance máximo de km equivalente ao alcance do Concorde o que permitiria que o projeto Aerion chegar à Europa a partir da costa leste dos EUA. Construído em grande parte de compósito de fibra de carbono para manter baixo o peso, as asas do AS2 são relativamente simples: são largas e têm a espessura muito pequena para proporcionar o fluxo de ar ideal. O resultado disso é arrasto reduzido e menor consumo de combustível, o que otimiza o alcance e a eficiência.

13 Imagem 10 AS2 da ndústria Aerion O jato Hypermach SonicStar (Imagem 11) está sendo projetado para voar a velocidades de até mach 4,4 (4.673 km/h). Uma grande diferença no design da Hyper Mach é o seu motor, uma verdadeira revolução na propulsão a jato. Ele será híbrido, usando tanto combustível como eletricidade, o que permitirá voar mais longe do que os outros concorrentes supersônicos. Em relação ao transporte de passageiros, sua capacidade está entre 24 e 36 passageiros e deverá ser capaz de voar de Nova York a Londres em apenas 71 minutos. Seu preço deve ficar na casa dos US$ 220 milhões. Imagem 11 Jato Hypermach SonicStar

14 7. CONCLUSÃO Em nosso estudo, abordamos algumas características de aviões convencionais e supersônicos, enfatizando a aerodinâmica. Neste contexto, apontamos as principais diferenças estruturais presentes nos aviões supersônicos. Após toda pesquisa, concluímos que a aerodinâmica e a potência do motor são os fatores mais influentes na velocidade dos aviões convencionais e supersônicos. No entanto, os supersônicos ao ultrapassarem a barreira do som provocam um estrondo que pode causar destruições a vidros e janelas, além de ser um ruído quase ensurdecedor para seres humanos e animais. Podemos mencionar algumas características aerodinâmicas de aviões supersônicos que os fazem mais rápidos e que são um diferencial ao comparálos com aviões convencionais: Bico afunilado: que permite que o avião diminua o efeito do arrasto. Asa mais fina: que facilita a força do empuxo e faz o avião levantar. As Wing Fences: um componente da asa dos supersônicos que funciona suavizando o arrasto. Visto que os aviões supersônicos têm a capacidade de alcançar velocidades muito altas, o que lhes permite reduzir consideravelmente o tempo de voo, a engenharia aeronáutica vem buscando aprimorar a tecnologia destes aviões para evitar ou reduzir o boom sônico. REFERÊNCIAS Nelson Studart, Sílvio R. Dahmen. A física do vôo na sala de aula. Física na Escola, v. 7, n. 2, 2006