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As quatro Forças.

 
Consegue imaginar como o peso, o design, os fatores de carga e a força da gravidade afetam uma aeronave durante as manobras de voo? Vamos relembrar alguns conceitos já tratados aqui no blog e introduzir outros, igualmente fundamentais.
Você já deve saber que, sobre todas as aeronaves em voo atuam quatro forças, sendo uma delas a força gravitacional que determina o peso e as outras provenientes do deslocamento dessa aeronave no ar. Entender como funcionam essas forças e saber como controlá-las com o uso de energia (propulsão/velocidade) e os controles de voo são essenciais para se manter em voo.
Tais forças são as mesmas forças que Sir George Cayley teorizou seus conceitos baseados no estudo das pipas, em 1799: a tração, a sustentação, o peso e o arrasto.
 
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Forças Aerodinâmicas
tração, ou empuxo, é a força produzida pelo conjunto motopropulsor que resultará em um movimento para frente, se nada oferecer resistência a ela. Portanto, ela se opõe ou supera a força de arrasto. Como regra geral, se diz que age paralelamente ao eixo longitudinal da aeronave.Isso, no entanto, nem sempre é verdadeiro – como, por exemplo, no caso das aeronaves de decolagem vertical. 

arrasto é uma força de resistência com resultante para trás, retardando ou até impedindo o movimento para frente, provocado pela força de tração, e é causada pela ruptura do fluxo de ar provocada pela fuselagem, asa, empenagem e da aeronave como um todo. O arrasto se opõe à tração e age para trás, paralelamente ao vento relativo.
O peso é o resultado combinado do peso do próprio avião somado aos pesos de todos os itens e pessoas a bordo, que não fazem parte do peso básico dele, ou seja, soma-se o peso básico do avião ao da tripulação, dos passageiros, do combustível e da carga ou bagagem para se obter o peso total do voo.

O peso “atrai” o avião para baixo por causa da força da gravidade. Ele se opõe à sustentação e atua verticalmente para baixo, por meio do centro de gravidade (CG) do avião. É interessante notar que o peso total da aeronave não é um valor fixo que se mantém constante durante o voo. O peso total diminui no mesmo valor do peso do combustível consumido.
Já a sustentação é uma força que empurra a asa para cima e se opõe à força para baixo exercida pelo peso. Ela é produzida pelo efeito aerodinâmico do ar, agindo na asa durante seu deslocamento. O ar escoa com maior velocidade pela parte superior da asa (extradorso), devido a sua curvatura mais acentuada, do que pela parte inferior (intradorso).

De acordo com o Teorema de Bernoulli, o aumento da velocidade provocará uma diminuição da pressão no extradorso da asa e resultará numa força que empurra a asa para cima, perpendicularmente à trajetória de voo.
 
fatores voo2
Aplicação do Teorema de Bernoulli em um perfil de asa
 
Para uma aeronave se movimentar, a tração a ser exercida deve ser maior do que o arrasto. A aeronave continuará a se mover e ganhar velocidade até que a tração e o arrasto se tornem iguais. A fim de manter uma velocidade constante, tração e arrasto devem permanecer iguais, assim como a sustentação e o peso devem ser iguais para manter a altitude constante.
 
Se em voo nivelado a potência do motor é reduzida, a tração se torna menor e a aeronave desacelera. Enquanto a tração for menor do que o arrasto, o avião continuará a desacelerar até que sua velocidade atinja um valor insuficiente para sustentá-la no ar.
Da mesma forma, se a potência do motor é aumentada, a tração se torna maior que o arrasto e aumenta a velocidade. Enquanto a tração continuar a ser maior do que o arrasto, o avião continuará a acelerar. Quando o arrasto atingir um valor igual a força de tração a aeronave voará a uma velocidade constante.
 
Em um voo reto e nivelado, o ângulo de ataque é melhor percebido pelo piloto por meio da posição do nariz do avião em relação ao horizonte ao qual chamamos de pitch. Ou seja, o pitch é o ângulo formado entre o eixo longitudinal do avião e o horizonte. O voo reto e nivelado pode ser sustentado em uma ampla gama de velocidades.
 
Para manter um voo nivelado, o piloto deve coordenar o ângulo de ataque – o ângulo entre a linha de corda da asa e a direção do vento relativo – e o regime de potência necessário para manter a velocidade desejada. Sempre que quisermos alterar a velocidade nesse tipo de voo, seremos obrigados a coordenar um novo ajuste de pitch e potência.
 
De forma geral, esses regimes podem ser agrupados em três categorias: voo de baixa velocidade, de cruzeiro e de alta velocidade. A sustentação tem relação direta com a velocidade e o ângulo de ataque, ou seja, quanto maior a velocidade maior será a sustentação, assim como o aumento do ângulo de ataque gera aumento da sustentação, desde que haja tração suficiente para manter a velocidade acima da mínima necessária.
 
A sustentação aumenta em função da velocidade e do ângulo de ataque. Quanto maior a velocidade, maior será a sustentação, assim como quanto maior o ângulo de ataque haverá maior sustentação.
 
Quando a velocidade é baixa, o ângulo de ataque deve ser relativamente alto para se manter o equilíbrio entre a sustentação e o peso. Se diminuir a velocidade, a sustentação se tornará menor do que o peso, e o avião começará a descer.
 
Para que isso não aconteça e continue a manter o nível de voo, o piloto poderá aumentar o ângulo de ataque (levantar o nariz) até gerar uma força de sustentação novamente igual ao peso da aeronave. A aeronave manterá o voo mais lento e nivelado enquanto o piloto exercer boa coordenação de potência e pitch, ou seja, de tração e ângulo de ataque.
 
fatores voo3
 
Durante o voo reto e nivelado, se a tração aumentar, a velocidade também aumentará e o ângulo de ataque deverá diminuir. Ou seja, se as mudanças foram coordenadas, o avião permanecerá em voo nivelado, mas em uma velocidade maior e com a relação entre empuxo e pitch adequadamente estabelecida.
 
Se não houver apropriada coordenação do pitch (diminuição), com o aumento de empuxo o avião começará a subir. Ao diminuir o ângulo de ataque diminuiremos a sustentação que se elevará com o aumento da velocidade, mantendo-a igual ao peso, e o avião continuará em voo nivelado.
 
Existem três linhas imaginárias que passam pelo centro de gravidade (CG) da aeronave em ângulos de 90 ° entre si. Essas linhas são os eixos em torno dos quais a aeronave gira. Sempre que uma aeronave muda sua atitude de voo ou de posição durante o voo, ela está se movimentando ou girando em torno de um ou mais dos seus três eixos.
 
fatores voo4Eixos de movimento
 
O eixo que vai do nariz à cauda é o longitudinal, o eixo que passa de ponta a ponta das asas é o lateral, e a linha vertical que passa pela aeronave é o eixo vertical. O movimento de aeronaves sobre seu eixo longitudinal se assemelha ao balanço lateral de um navio.
 
Na verdade, os nomes usados para descrever os movimentos em torno dos eixos de uma aeronave foram originalmente termos náuticos. Eles foram adaptados para a terminologia aeronáutica assim: em torno do eixo longitudinal ou de rolagem (roll) o avião gira lateralmente, abaixando uma asa e levantando a outra.
 
Em torno do eixo lateral ou de arfagem (pitch) o avião gira em um plano vertical, levantando ou abaixando o nariz como o movimento de uma cadeira de balanço, conhecido também como movimentos de arfagem. Ao redor do eixo vertical ou de guinada (yaw), o avião gira num plano horizontal, movimentando o nariz para a direita ou para a esquerda.
 
O acionamento dos controles da aeronave altera a posição das superfícies de controle de voo, de modo a fazer com que ela se movimente em torno de um ou mais desses eixos, e permite o controle do avião durante o voo.
 
Quem tem crianças em casa, ou simplesmente “sofre” com tempo livre, pode topar este desafio: que tal comprovar na prática o Teorema de Bernoulli? Siga os passos a seguir e mande o seu vídeo para a gente!
 
Fonte:  Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge (FAA, 2008)

 

 

 

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