Tutorial Fly Higher IV

1. Tutorial FlyHigher IV A CIÊNCIA DO VOO

2. Aerodinâmica • Princípios elementares • Para que um avião consiga voar são necessárias duas coisas: • Tração (T) • Sustentação (L) • 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: • Arrasto (D) • Peso (W) Representação do equilíbrio de forças

3. Aerodinâmica • 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?

4. 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 lembrar-te o que diz cada lei?

5. 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. Terceira Lei de Newton Motor empurrado para a frente Fluxo empurrado para trás Motor a jato

6. Aerodinâmica • 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. SUSTENTAÇÃO ARRASTO 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.

7. Aerodinâmica • 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 TRAÇÃO 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.

8. Aerodinâmica • As bases No slide 2 vimos o diagrama de forças que atuam num avião, durante um voo (ou enquanto este está no ar). Desenha um diagrama de forças que ilustre as seguintes situações: O avião está parado sem se movimentar no chão. O avião está a movimentar-se na pista, em taxying, sem levantar voo. O diagrama de forças

9. Aerodinâmica • 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

10. Aerodinâmica • 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 atuadiretamente na direção do fluxo de ar – daí a SUSTENTAÇÃO!

11. Aerodinâmica • 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 Os motores que nos empurram para a frente! Arrasto

12. A forma da asa • O perfil alar A forma e o tamanho da asa são muito importantes! A forma mais básica é chamada de PERFIL ALAR. Linha média 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.

13. 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. CL = 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 V2S CL

14. Aerodinâmica • Outros fatores De realçar que a sustentação depende muito significativamente da VELOCIDADE (na fórmula representado por V2) 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.

15. Aerodinâmica • 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. Outros Fibras de carbono Aço Camadas de carbono Titânio Fibras de vidro Compósitos Alumínio Alumínio Pilares de Alumínio/aço/titânio

16. Aerodinâmica • 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 éρ = 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?

17. Aerodinâmica • De que outra forma podemos aumentar a SUSTENTAÇÃO? FLUXO DE AR 10˚ 16˚ 6˚ 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.

18. Aerodinâmica • 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?

19. Aerodinâmica • 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 ?

20. Aerodinâmica • 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…

21. Aerodinâmica • 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.

22. Aerodinâmica • 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?

23. Aerodinâmica • TudonaConceção 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?

24. Aerodinâmica • TudonaConceção 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?

25. Aerodinâmica • 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.

26. Aerodinâmica • 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.

27. Aerodinâmica • 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 movem-se para cima ou para baixo ao mesmo tempo

28. E finalmente... 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! 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.