Extradorso. Intradorso. Corda

Transcrição

1 AERODINÂMICA Parapente

2 SUMÁRIO Nomenclatura do perfil Sustentação Nomenclatura e estrutura da asa Forças que actuam na asa Controlo da asa Performance Envelope de Voo

3 O PERFIL e a ASA

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5 GEOMETRIA DO PERFIL Espessura máxima Linha média de curvatura Bordo de ataque Extradorso Corda Intradorso Bordo de fuga Localização da máxima espessura Corda

6 TIPOS DE PERFIS Biconvexos simétricos Biconvexos assimétricos Plano convexos Côncavo convexos

7 GEOMETRIA DA ASA Área (S) Envergadura (b) Alongamento / Aspect Ratio (AR) AR = b 2 / S

8 ESTRUTURA DA ASA

9 ESTRUTURA DA ASA

10 Nervuras ESTRUTURA DA ASA Têm a forma do perfil da asa e têm por finalidade: Conferir forma à asa Ligar o intradorso ao extradorso Suportar os esforços a que a asa está sujeita em voo

11 ESTRUTURA DA ASA Entradas de ar Somente presentes no parapente, têm por função admitir a entrada de ar sob pressão de forma a conferir e manter a forma da asa. A distribuição de pressão ao longo da asa é garantida através de orifícios nas nervuras. A localização das entradas de ar é de extrema importância e normalmente são colocadas na zona do bordo de ataque onde a pressão é maior ( ponto de estagnação).

12 ESTRUTURA DA ASA

13 PONTO DE ESTAGNAÇÃO Ponto do perfil onde a pressão estática é maior ou ponto de impacto do ar no perfil

14 EIXOS

15 EIXOS

16 EIXOS Tudo o que voa move-se num espaço tridimensional, logo é natural que os seus movimentos se façam em torno de 3 eixos, que se cruzam no Centro de Gravidade (CG) do conjunto asa+piloto: Eixo vertical Em torno do qual são efectuados os movimentos de guinada. Parapente Através de actuação assimétrica dos comandos

17 EIXOS Eixo transversal Em torno do qual são efectuados os movimentos de cabeceio (cabrar, picar). Parapente Os comandos não permitem actuar directamente sobre o eixo transversal (atitude). No entanto podem induzir rotações em torno deste eixo.

18 EIXOS Eixo longitudinal Em torno do qual são efectuados os movimentos de pranchamento. Parapente Através da actuação assimétrica dos comandos

19 CONCEITOS e DEFINIÇÕES

20 PRESSÃO Por definição a pressão é força por unidade de área P = F /A

21 PRESSÃO Unidades: bar, N/m 2 ou Pascal (Pa), 1hPa = 1mb Actua sempre perpendicularmente à superfície Decresce com a altitude

22 PRESSÃO Pressão total = Pressão estática + Pressão dinâmica Sendo a Pressão dinâmica dependente da velocidade do ar P d = 0,5 x densidade do ar x V 2

23 DENSIDADE A densidade,,, é definida como a massa por unidade de volume. = m / v

24 DENSIDADE A densidade diminui com : Diminuição da pressão Aumento da temperatura Altitude

25 PRINCÍPIO DA CONTINUIDADE Na mecânica de fluidos, o princípio de conservação de massa é traduzido pela equação de continuidade, ou seja, conservação de caudal (massa / tempo): O caudal através da área A1 tem de ser igual ao que passa na área A2

26 TEOREMA DE BERNOULLI Num escoamento incompressível P total = constante! Se a Velocidade (V) aumenta, a pressão estática (P e diminui); Se a Velocidade diminui (V), a pressão estática (P e aumenta);

27 SUSTENTAÇÃO

28 SUSTENTAÇÃO EXTRADORSO: Maior velocidade. INTRADORSO: Menor velocidade.

29 DISTRIBUIÇÃO DE PRESSÃO Extradorso: Menor pressão Intradorso: Maior pressão => Força para cima!

30 DISTRIBUIÇÃO DE PRESSÃO

31 DISTRIBUIÇÃO DE PRESSÃO n As forças aerodinâmicas que actuam ao longo da asa podem ser representadas por uma única força Resultante das Forças Aerodinâmicas (RFA), aplicada num ponto denominado Centro de Pressões (CP). 31

32 DISTRIBUIÇÃO DE PRESSÃO Sustentação (Lift, L) = Força resultante da soma da distribuição de pressão (perpendicular ao vento relativo), ao longo da superfície. Resistência (Drag, D) = Força resultante da soma da distribuição de pressão (paralela ao vento relativo), ao longo da superfície. 32

33 PONTO DE ESTAGNAÇÃO Ponto do perfil onde a pressão é maior ou ponto de impacto do ar no perfil

34 SUSTENTAÇÃO E RESISTÊNCIA A RFA pode ser decomposta em duas componentes: Sustentação Componente perpendicular ao vento relativo. Resistência ou Arrasto Componente paralela ao vento relativo.

35 SUSTENTAÇÃO E RESISTÊNCIA Ângulo de ataque: ângulo formado entre o vento relativo e a linha de corda. Ângulo de incidência: ângulo formado entre plano horizontal e a linha de corda.

36 ÂNGULO DE ATAQUE No parapente como não temos acção directa sobre os movimentos de cabeceio (pitch), a única forma que temos para controlar o ângulo de ataque é através da modificação da curvatura do perfil.

37 ÂNGULO DE ATAQUE Logo no parapente variamos o ângulo de ataque através da acção simétrica dos comandos.

38 Acelerador 38

39 VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO

40 VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO A sustentação para uma asa com um dado perfil varia com: Área da asa (s) Densidade do ar (ρ) Velocidade (v) P d = (0,5. ρ.v 2 ) Forma do perfil / asa Ângulo de ataque Coeficiente de sustentação (C L )

41 VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO A relação destes parâmetros é dada por L=C L.0,5. ρ.. v 2. s

42 VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO L=C L.0,5. ρ.. v 2. s, logo: Área da asa Quanto maior a área da asa mais sustentação ela produz. Um piloto com uma asa pequena precisa de correr mais (atingir uma velocidade maior) do que com uma asa grande.

43 VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO L=C L.0,5. ρ.. v 2. s, logo: Velocidade Quanto maior a velocidade maior a sustentação Com vento fraco temos que correr para atingir a velocidade que dá a sustentação para descolar. Com vento forte podemos até ser arrancados do solo!

44 VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO L=C L.0,5. ρ.. v 2. S Densidade Quanto menor a densidade menos sustentação a asa produz Quanto mais elevada estiver uma descolagem mais teremos de correr para descolar!

45 VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO Para além de todos estes parâmetros, a sustentação também varia com o ângulo de ataque (α). Esta variação é dada pelo C L.

46 VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO Através do gráfico verifica-se que o C L aumenta com o α, até atingir um valor máx. Daqui a vantagem de travarmos um pouco a asa na corrida de descolagem. A partir deste ponto máx, um aumento do α diminui a sustentação de uma forma relativamente abrupta.

47 VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO A esta diminuição abrupta da sustentação devido a um aumento do α, chama-se perda ou stall! A perda no parapente pode ser extremamente violenta, visto este não ter uma estrutura rígida.

48 VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO Mas como surge a perda??

49 VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO Para ter sustentação é necessário haver uma diferença de pressões entre o intradorso e o extradorso. Já tínhamos visto que esta diferença de pressão era conseguida através de uma diferença de velocidades entre o intradorso e o extradorso. Relembrando a variação do C L em função do ângulo de ataque, verificamos que a sustentação aumenta linearmente com o ângulo de ataque, até um certo ponto. A partir deste ponto, denominado ponto de C Lmáx, o C L diminui abruptamente.

50 VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO O que na realidade acontece é que a partir do ângulo de ataque de C Lmáx grande parte do escoamento descola-se se do extradorso.

51 VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO Este descolamento faz com que: A velocidade do escoamento sobre a asa diminua repentinamente A diferença de pressões entre o extradorso e intradorso diminui A sustentação diminui e não é suficiente para sustentar a asa

52 VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO α = 5º C L = 0,6 α = 10º C L = 1,2

53 VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO α = 15º C L = 1,35 α = 22,5º C L = 0,7 Perda!

54 VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO A perda dá-se sempre ao mesmo ângulo de ataque, independentemente da velocidade!!!!

55 VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO TORÇÃO Normalmente o ângulo de ataque varia ao longo da envergadura da asa. A esta variação do ângulo de ataque ao longo da envergadura chama-se torção.

56 VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO No parapente a torção tem interesse a nível de comportamento da asa: Em perda Em voo com acelerador.

57 VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO Torção positiva Ângulo de ataque maior nas pontas. As pontas da asa entram primeiro em perda.

58 VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO Torção positiva Maior estabilidade em voo acelerado

59 VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO Para além da entrada em perda, a torção positiva também ajuda a manter as pontas da asa sob tensão.

60 VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO Torção negativa Ângulo de ataque menor nas pontas. O centro da asa entra em perda primeiro.

61 RESISTÊNCIA AERODINÂMICA

62 RESISTÊNCIA AERODINÂMICA Resistência aerodinâmica ou arrasto é a componente horizontal da RFA paralela ao vento relativo.

63 RESISTÊNCIA AERODINÂMICA Tal como a sustentação gerada por um perfil depende da sua forma, a resistência gerada por um perfil ou objecto depende igualmente da forma deste. Quanto mais suaves forem os contornos do objecto menor é a resistência ao avanço

64 RESISTÊNCIA AERODINÂMICA A resistência de uma asa com um dado perfil varia com: Área da asa (s) Densidade do ar (ρ) Velocidade (v) P d = (0,5. ρ.v 2 ) Forma do perfil / asa Ângulo de ataque Coeficiente de resistência (C D )

65 RESISTÊNCIA AERODINÂMICA A relação destes parâmetros é dada por D=C D.0,5. ρ.. v 2. S Mais velocidade Mais resistência Menor densidade Menor resistência Área maior Maior resistência C D maior Maior resistência

66 RESISTÊNCIA AERODINÂMICA Tal como o C L para uma dada asa varia com o α,, o C D de uma dada asa também é dado em função do ângulo de ataque.

67 RESISTÊNCIA AERODINÂMICA A resistência que temos estado a considerar é a resistência total. Esta resistência total é a soma da contribuição de dois tipos de resistências

68 RESISTÊNCIA AERODINÂMICA Resistência induzida Induzida sustentação. pela Devido à menor pressão no extradorso, o ar tende a circular do intradorso para o extradorso.

69 RESISTÊNCIA AERODINÂMICA Resistência induzida Esta tendência do ar passar para o extradorso cria uma circulação de ar denominada vórtices

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71 71

72 RESISTÊNCIA AERODINÂMICA Linhas de corrente na ponta da asa (linhas a vermelho)

73 RESISTÊNCIA AERODINÂMICA Factores que afectam a resistência induzida Alongamento Maior alongamento Menor Resistência induzida Ângulo de ataque Maior ângulo de ataque maior Coeficiente de sustentação maior resistência induzida

74 RESISTÊNCIA AERODINÂMICA Factores que afectam a resistência induzida Velocidade Quanto maior for a velocidade menor é o ângulo de ataque menor é a resistência induzida. Torção da asa Se a asa tem torção e esta apresenta um ângulo de ataque menor na ponta, menor será a diferença de pressão no bordo marginal, sendo os vórtices menos intensos e a resistência induzida menor.

75 RESISTÊNCIA AERODINÂMICA Forma da planta da asa Numa asa com a forma elíptica a resistência induzida será a menor possível.

76 RESISTÊNCIA AERODINÂMICA Resistência parasita Resistência parasita é toda a resistência gerada que não depende da sustentação, só depende da velocidade. Existem dois tipos de resistência parasista: Resistência de fricção Resistência de pressão ou forma

77 RESISTÊNCIA AERODINÂMICA Resistência de fricção Este tipo de resistência tem a ver com a fricção entre o ar e a superfície da asa ou objecto. Como o ar tem viscosidade, a superfície tem tendência em abrandar o ar por fricção, gerando assim a resistência de fricção.

78 RESISTÊNCIA AERODINÂMICA Resistência de pressão ou forma Se um objecto se está a mover, a pressão à frente do objecto é superior à pressão atrás, fazendo com que as forças de pressão geradas actuem no sentido inverso ao deslocamento. Este tipo de resistência também é conhecido como resistência de forma, pois as forças de pressão geradas por este efeito dependem da forma do objecto: quanto maior for a área frontal e abruptos os contornos maior será esta resistência.

79 RESISTÊNCIA AERODINÂMICA Variação da Resistência com a velocidade A resistência induzida é maior a baixas velocidades A resistência parasita é maior a elevadas velocidades

80 SUSTENTAÇÃO / RESISTÊNCIA A partir dos dois gráficos C L vs α e C D vs α obtem-se um gráfico da sustentação em função da resistência (Polar de arrasto)

81 PERFORMANCE

82 PERFORMANCE A Polar dá-nos a variação da resistência em função da sustentação. Em termos práticos em vez de sustentação e resistência, usa-sese a velocidade horizontal e a velocidade vertical.

83 PERFORMANCE Se obtivermos os valores de velocidade vertical em função das velocidades horizontais, consegue-se obter a polar.

84 PERFORMANCE A partir da polar pode-se retirar toda a informação relevante para a performance do parapente / asa delta, tais como: Velocidade mínima de vôo Velocidade de planeio máx e planeio máx Velocidade de menor velocidade vertical Velocidade máx

85 PERFORMANCE

86 PERFORMANCE Velocidade de planeio máx O que é o planeio (finesse)? Por definição, planeio ou razão de planeio é a razão entre a sustentação e a resistência (L/D) para uma dada condição de voo.

87 PERFORMANCE Planeio também pode ser definido como: V horizontal / V vertical Ou Distância horizontal / Distância vertical

88 PERFORMANCE O planeio varia com a velocidade. No entanto o planeio máx (L/D) máx é um valor fixo para um dado parapente/asa delta, a não ser que se altere a asa (ou arnês) de forma a diminuir a resistência (D). Logo, se partindo de uma certa altitude quiser ir o mais longe possível, deverei voar à velocidade de planeio máx!

89 PERFORMANCE

90 PERFORMANCE Velocidade horizontal e vertical no planeio máx

91 PERFORMANCE Na polar descobre-sese o planeio máx traçando uma recta a partir da origem do gráfico. O ponto tangente à curva identifica a velocidade de melhor planeio.

92 PERFORMANCE Trajectórias seguidas conforme velocidades da polar

93 PERFORMANCE A polar é construída em ar calmo, ou seja: Vento nulo Ausência de ascendentes/descendentes A partir do momento em que surge vento ou ascendentes/descendentes, a velocidade de planeio máx pode já não ser a melhor velocidade para voar!!

94 PERFORMANCE Caso de uma descendente: A velocidade de melhor planeio é superior à de planeio máx para ar calmo. planeio real < planeio máx.

95 PERFORMANCE Planador vermelho Velocidade máx em ar calmo Planador amarelo Velocidade de melhor planeio em ar calmo

96 Vento de frente PERFORMANCE

97 Com vento de frente a cena repete-se: PERFORMANCE velocidade a voar é superior à de planeio máx Planeio real < Planeio máx

98 Vento de cauda PERFORMANCE

99 PERFORMANCE Com vento de cauda sucede o contrário, pois podemos aproveitar o vento para melhorar o planeio. Velocidade a voar é inferior à de planeio máx Planeio real > Planeio máx

100 PERFORMANCE Em ascendentes, sucede o mesmo, pois pode-se aproveitar a ascendente para melhorar o planeio Velocidade a voar é inferior à de planeio máx Planeio real > Planeio máx

101 PERFORMANCE Com vento de lado tem de se levar em consideração a componente do vento quando se corrige o rumo Sem correcção do rumo Com correcção do rumo

102 PERFORMANCE Influência da carga alar Por definição, carga alar é a razão entre o peso total em voo e a superfície da asa Carga alar = Peso / Área = W/S Ao aumentarmos a carga alar estamos a aumentar o peso para uma mesma área, logo a asa vai ter uma velocidade horizontal e vertical maior.

103 PERFORMANCE A carga alar não influencia o planeio máx! Influência isso sim, a velocidade a que temos o planeio máx.

104 ANÁLISE DAS FORÇAS

105 DESCOLAGEM

106 DESCOLAGEM Forças que actuam durante o inflado: Peso do piloto Tracção conferida pelo piloto Resistência (grande), Sustentação (pequena) Força centrífuga

107 DESCOLAGEM Durante a primeira fase do inflado, o piloto usa o seu peso como motor de tracção e os braços para criarem um movimento rotativo de forma a aproveitar a força centrífuga para elevar a asa do solo

108 DESCOLAGEM À medida que asa vai subindo e ganhando velocidade, começa a surgir a sustentação necessária para suportar o peso da asa. A partir do ponto em que a asa consegue autosustentar- se, o piloto só necessita de utilizar o peso como motor para atingir a velocidade necessária para a descolagem.

109 DESCOLAGEM Devemos sempre descolar e aterrar contra o vento! Assim garantimos sempre uma velocidade ar elevada e uma velocidade solo relativamente pequena.

110 Voo rectilíneo VOO Forças Sustentação (L) Resistência (D) Peso (W)

111 VOO D = W sen (γ) L = W cos (γ) O peso funciona como motor do planador!

112 VOO Voo em volta nivelada L V = W L H ( Força centrípeta ) = Força centrífuga

113 VOO Em volta a sustentação é decomposta em duas componentes: A componente vertical que compensa o peso A horizontal que compensa a força centrífuga

114 VOO Factor de carga n = L / W Em voo rectilíneo o factor de carga é 1g (L = W) Numa volta sem perder altura, o factor de carga é superior a 1g pois a sustentação tem que aumentar de forma a compensar a força centrífuga

115 ENVELOPE DE VOO

116 ENVELOPE DE VOO Em certas manobras, o parapente/asa delta gera uma força de sustentação muito superior ao peso. As forças aerodinâmicas são proporcionais ao quadrado da velocidade de voo. Logo, as forças a que um parapente/asa delta fica sujeito dependem do quadrado da velocidade e do factor de carga. O envelope de voo não é mais do que a combinação do factor de carga máx em função de cada velocidade de voo.

117 ENVELOPE DE VOO Existem duas formas de se sair do envelope de voo: Voluntária Acrobacia (apesar de se fazer acrobacia dentro do envelope de voo) Involuntária Incidentes em voo (Perda, Fechos, Tumbling)

118 ENVELOPE DE VOO Perda Já vimos que a perda surge quando o escoamento se descola da asa, causando um queda abrupta da sustentação. Perda voluntária A perda pode ser provocada através do aumento voluntário do ângulo de ataque. À medida que aumentamos o ângulo de ataque, o Centro de Pressões (CP) move-se na direcção do bordo de ataque.

119 ENVELOPE DE VOO No entanto quando a asa atinge a perda o CP desloca-sese para o bordo de fuga, daí a tendência natural para a asa picar após entrar em perda. No parapente como controlamos o ângulo de ataque através da deflexão do bordo de fuga, a asa só vai ter tendência para picar quando soltarmos os comandos.

120 ENVELOPE DE VOO Em ambos os casos o procedimento para sair da perda é picar a asa para que esta ganhe velocidade novamente. No parapente o recuo da asa é feito de forma extremamente violenta visto o parapente não ter uma estrutura rígida, logo deve-se ter muito cuidado na reposição das mãos em cima a fim de evitar uma abatida extremamente violenta.

121 ENVELOPE DE VOO Perda estática (Aumento gradual do ângulo de ataque)

122 ENVELOPE DE VOO Perda dinâmica (Asa com velocidade seguido de aumento repentino do ângulo de ataque)

123 ENVELOPE DE VOO Perdas involuntárias Podem ser originadas por sobre pilotagem (mais comum no parapente): Excesso de comandos após fecho Excesso de comandos ao tentar top-landing

124 ENVELOPE DE VOO Perdas involuntárias Originadas por rajadas : Excesso de comandos na aterragem e surgimento de uma rajada Entrada numa térmica violenta Descolagem numa falésia abrupta com vento forte

125 ENVELOPE DE VOO Perda assimétrica Só um dos lados da asa entra em perda, o que leva a que a asa rode para o lado que está em perda. Perda involuntária Excesso de comandos após fecho assimétrico Entrada numa ascendente violenta com só um dos lados da asa

126 ENVELOPE DE VOO Neste tipo de situação deve-se diminuir o ângulo de ataque do lado em perda e controlar a velocidade do lado que voa de forma a diminuir a rotação.

127 ENVELOPE DE VOO Perda assimétrica voluntária (Perda assimétrica provocada a baixa velocidade) Visto a asa que voa estar com baixa velocidade a rotação não é muito severa. Após parar a rotação a tendência é para a asa picar a fim de ganhar novamente velocidade.

128 ENVELOPE DE VOO Perda assimétrica voluntária (Entrada a partir de mãos em cima) Este caso é bastante mais violento pois a diferença de velocidades entre as duas asas impõe uma rotação elevada que pode levar ao twist das bandas ( elevadores).

129 ENVELOPE DE VOO Nestes casos deve-se jogar pelo seguro e em caso de twist lançar o pára quedas de emergência.

130 ENVELOPE DE VOO Fechos Provocados devido: Passagem do ponto de estagnação para uma região acima das entradas de ar Perda de pressão interna (mais frequente nas pontas das asas)

131 ENVELOPE DE VOO Fechos simétricos ou frontais Surgem devido a uma abatida não controlada: Saída violenta da térmica Saída de uma trepada Ou devido a turbulência

132 ENVELOPE DE VOO Fecho frontal Após a abertura das entradas de ar (que deve ser feita através um aumento do ângulo de ataque), a asa tenderá a picar para ganhar velocidade Os fechos frontais podem ser bastante delicados em asas de competição

133 ENVELOPE DE VOO Fechos assimétricos (Só um dos lados é que fecha) Podem criar velocidades de rotação elevadas se forem superiores a 50%

134 ENVELOPE DE VOO O procedimento nestes fechos é sempre o mesmo: 1º manter a trajectória 2º Se necessário, bombear o lado fechado

135 ENVELOPE DE VOO Em caso de dúvida deixar a asa actuar! A maior parte das asas (até EN-B) reabrem por si. Se se tratar de uma asa EN-C ou D o piloto tem de intervir, para tal tem de saber exactamente o que fazer a fim de não agravar a situação. Se não souber, não tem nada que voar com este tipo de asas!!!

136 Paulo Nunes da Silva FIM