Como Funciona os aviões?

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?

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.

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).

Como a sustentação é criada

Variações de pressão causadas pelo desvio de um fluido em movimento
A sustentação é uma força em uma asa (ou qualquer outro objeto sólido) imersa em um fluido em movimento, e atua de forma perpendicular ao fluxo do fluido (arrasto é a mesma coisa, só que atua paralelamente à direção do fluxo de fluido). A força líquida é criada por diferenças de pressão geradas por variações na velocidade do ar em todos os pontos ao redor da asa. Essas variações de pressão são causadas pela interrupção e pelo desvio do fluxo de ar que passa pela asa. A distribuição de pressão medida em asas tradicionais se assemelha ao seguinte diagrama:

A. o ar aproximando-se da parte superior da asa é comprimido no ar acima dele, conforme se desloca para cima. Assim, visto que a parte superior se curva para baixo e para longe do fluxo de ar, uma área de baixa pressão é desenvolvida - e o ar acima é empurrado para baixo, em direção à traseira da asa; B. o ar que se aproxima da superfície inferior da asa é retardado, comprimido e redirecionado em um trajeto descendente. Conforme o ar se aproxima da parte traseira da asa, ele acelera e a pressão gradualmente se equipara àquela do ar deslocando-se para cima. Os efeitos totais da pressão encontrados na parte inferior da asa em geral são menos perceptíveis do que aqueles na parte superior da asa; C. componente de sustentação; D. força líquida; E. componente de arrasto.

Ao adicionar todas as pressões que atuam sobre a asa (por todo o lugar), obtém-se a força absoluta na asa. Parte dessa sustentação vai levantar a asa (componente de sustentação) e o restante serve para desacelerar a asa (componente de arrasto). Como a quantidade de fluxo de ar desviado pela asa aumenta, as diferenças de velocidade e pressão entre as partes superior e inferior se tornam mais evidentes, aumentando a sustentação. Há muitas maneiras de aumentar a sustentação de uma asa, tal como aumentar o ângulo de ataque ou a velocidade do fluxo de ar.

Formato da asaO formato de aerofólio "padrão" que explicamos acima não é o único formato para uma asa. Por exemplo, os aviões de acrobacias (aqueles que voam de cabeça para baixo por longos períodos em demonstrações aéreas) e aeronaves supersônicas têm perfis de asa que são um pouco diferentes do esperado:


O aerofólio superior é comum para um avião de acrobacias e o aerofólio inferior é comum para caças supersônicos. Observe que ambos são simétricos, tanto na parte superior quanto na inferior. Aviões de acrobacias e jatos supersônicos obtêm sua sustentação exclusivamente do ângulo de ataque da asa.