Tutorial Fly Higher IV A CIÊNCIA DO VOO
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)
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?
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)
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 Terceira Lei de Newton
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.
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.
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.
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
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!
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!
A forma e o tamanho da asa são muito importantes! A forma mais básica é chamada de PERFIL ALAR. Linha média A forma da asa O perfil alar 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 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. C L = 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 V 2 S C L
Outros fatores De realçar que a sustentação depende muito significativamente da VELOCIDADE (na fórmula representado por V 2 ) 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.
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. Fibras de carbono Camadas de carbono Fibras de vidro Alumínio Pilares de Alumínio/aço/titânio Titânio Aço Alumínio Outros Compósitos
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?
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.
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?
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?
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
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.
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?
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?
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?
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.
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 horizontal na zona traseira da secção da cauda.
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
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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