AERODINÂMICA E TEORIA DE VOO -> Capítulo V - Escoamento

CAPÍTULO 5 
ESCOAMENTO

O movimento de um fluído gasoso ou líquido é denominado escoamento, o qual pode ser de dois tipos:

• Laminar ou Lamelar.
• Turbulento ou Turbilhonado.

A figura abaixo ilustra os dois tipos de escoamento, através do exemplo da fumaça de um cigarro

TUBO DE ESCOAMENTO

É a canalização por onde escoa o fluído.

Existem dois tipos de tubo de escoamento:

• Tubo Real
• Tubo Imaginário

A imagem abaixo ilustra o que os dois tipos de tubos de escoamento.

EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE

É uma lei do escoamento, a qual afirma, de forma simplificada:

"Quanto mais estreito for o tubo de escoamento, maior será a velocidade do fluido e vice-versa".

TÚNEL AERODINÂMICO

A equação da continuidade torna possível a construção do túnel aerodinâmico, que é usado para testar modelos de aviões durante a fase de projeto.

PRESSÃO DINÂMICA

É a pressão produzida pelo impacto do vento. A pressão dinâmica deixa de existir o vento para de soprar.

Ela é tanto maior quanto maior for a densidade ou a velocidade do fluído que escoa.

A pressão dinâmica é calculada através da fórmula:

VELOCÍMETRO

O velocímetro utilizado nos aviões é um manômetro com mostrador modificado para indicar a velocidade do vento relativo, em vez da sua pressão dinâmica. 

Ela possui uma entrada para a pressão estática e uma outra para pressão total (Que é igual à pressão estática mais a dinâmica)

A pressão estática entra pelos dois tubos e anula-se dentro do instrumento, sobrando então apenas a pressão dinâmica, que aciona o ponteiro.

TEOREMA DE BERNOULLI

É uma lei de escoamento que afirma, de forma simplificada:

"Quando maior a velocidade do escoamento, maior será a pressão dinâmica e menor a pressão estática".

Esta afirmação é de certo modo intuitiva, pois a força do impacto do ar (ou pressão dinâmica) é tanto maior quanto maior a velocidade de escoamento.

Quanto a diminuição da pressão estática, podemos demonstrá-la através do Tubo de Venturi (tubo com um estreitamento), onde fazemos um pequeno furo, adaptando um tubinho plástico, cuja extremidade é mergulhada num copo d'água.

O vento passando pelo Tubo de Venturi, sofre um aumento de velocidade no estreitamento, onde irá aspirar a água do copo, que será pulverizada nim fino jato.

APLICAÇÕES

O teorema de Bernoulli é aplicado na construção dos pulverizadores (bombas manuais) de inseticida, nos carburadores dos motores a gasolina e outros dispositivos.

SISTEMA PITOT-ESTÁTICO

Já vimos que:

1. O altímetro funciona através da pressão estática.
2. O velocímetro precisa da pressão estática e da pressão total.

Para fazer esses dois instrumentos funcionarem, o avião possui:

1. Uma tomada de pressão estática.
2. Uma tomada de pressão total (dinâmica mais estática), que chama-se Tubo de Pitot.

O conjunto completo, montado num avião, chama-se Sistema Pitot-Estático.

Nos aviões de pequeno porte, o tubo de Pitot e a tomada de pressão estática podem estar incorporados num único conjunto conforme mostra a figura abaixo.

Existem também outros formatos bastante diferentes. internamente podem ter dispositivos de aquecimento elétrico, com a finalidade de evitar o bloqueio das passagens pelo gelo em baixa temperatura.

VELOCIDADE INDICADA E VELOCIDADE AERODINÂMICA

A velocidade que o piloto lê no mostrador de velocímetro somente é correta se o avião estiver voando na atmosfera padrão, ao nível do mar.

Na prática, dificilmente o avião estará voando nessas condições, o que equivale a dizer que o velocímetro estará mostrando ao piloto uma velocidade incorreta, que chamaremos de Velocidade Indicada (Abreviadamente VI).

A velocidade do avião em relação ao ar recebe o nome de Velocidade Aerodinâmica (VA) ou Velocidade Verdadeira.

"A velocidade aerodinâmica (VA) é muito importante, pois é aquela que deve ser usada nas formulas matemáticas de Teoria de Voo".

Apesar do nome, a Velocidade Verdadeira ou Aerodinâmica não é realmente a verdadeira, pois falta considerar ainda a velocidade do vento atmosférico.

Somente após efetuada essa correção chega-se à velocidade real do avião em relação à terra.

AERODINÂMICA E TEORIA DE VOO -> Capítulo IV - Geometria do Avião

CAPÍTULO 4 
GEOMETRIA DO AVIÃO

A figura abaixo mostra a nomenclatura das principais partes do avião. A função de cada uma dela será vista durante o curso.

As seguintes partes podem ser encontradas  num avião:

• Superfícies Aerodinâmicas;
• Aerofólios;

SUPERFÍCIES AERODINÂMICAS

São aquelas que produzem pequena resistência ao avanço, mais não produzem nenhuma força útil  ao voo.

Exemplos:

• Spinner;
• Carenagem da Roda;

AEROFÓLIOS

São aquelas que produzem forças úteis ao voo.

Exemplos:

• Hélice;
• Asa;
• Estabilizador;

ELEMENTOS DE UMA ASA

A figura abaixo mostra os principais elementos de uma asa.

• Envergadura(b);
• Corda(c);
• Raiz da Asa;
• Ponta da Asa;
• Bordo de Ataque;
• Bordo de Fuga;

Temos ainda a área da asa (geralmente representada pela letra S), que é igual ao produto da envergadura pela corda, ou seja:

S = b.c

PERFIL

É o formato em corte do aerofólio.

Existem dois tipos de perfis:

• Perfil Simétrico - é aquele que pode ser divido por uma linha reta em duas metades iguais.

• Perfil Assimétrico - é aquele que não poder ser dividido por uma linha reta em duas pastes iguais.

ELEMENTOS DE UM PERFIL

Os principais elementos que compões um perfil são:

• Bordo de Ataque - é a extremidade dianteira do perfil.
• Bordo de Fuga - é a extremidade traseira do perfil.
• Extradorso - é a superfície superior do perfil.
• Intradorso - é a superfície inferior do perfil.
• Corda - é a linha reta que liga o bordo de ataque ao bordo de fuga.
• Linha de Curvatura Média (ou Linha Média) - é a linha que equidistante do extradorso e do intradorso.

ÂNGULO DE INCIDÊNCIA

É o ângulo formado entre a corda e o eixo longitudinal do avião.

NOTA: O eixo longitudinal é uma linha de referência imaginária do avião, estabelecida durante o projeto e geralmente coincide com a direção do voo horizontal.

AERODINÂMICA E TEORIA DE VOO -> Capítulo III - Fluídos e Atmosfera

CAPÍTULO 3 
FLUÍDOS E ATMOSFERA

FLUÍDO 

É todo corpo que não possui forma fixa.

Existem duas espécies de fluídos:

• Líquidos - Água, Gasolina, Óleo e etc...
• Gases     - Ar, Oxigênio, Vapor D'água e etc..

Os aviões voam através do ar. Por esse motivo, é extremamente importante conhecer as propriedades do ar que afetam o voo.

Essas propriedades (ou parâmetros) são:

1. Temperatura;
2. Densidade;
3. Pressão;

TEMPERATURA

A temperatura é medida através de termômetros que podem ser graduados em escala Celsius ou Fakrenheint.

Abaixo vemos um termômetro graduado em escala Celsius (ou Centigrada), que é a mais conhecida. O zero dessa escala é a temperatura de congelamento da água e 100ºC corresponde à temperatura de fervura da água. 

Abaixo vemos um termômetro na escala Fahrenheit, usada nos países de língua inglesa.

Nessa escala, a temperatura de congelamento da água corresponde a 32ºF, e a temperatura de fervura a 212ºF.

ESCALAS ABSOLUTAS

Mais tarde, descobriu-se que a menor temperatura possível na natureza é igual a 273ºC ou -460ºF, a qual deve ser adotada como verdadeiro zero (Zero Absoluto) das escalas termométricas.

Assim, alterando a posição do zero, a escala Celsius originou a escala Kelvin. Nos Países de língua inglesa, a escala Fahrenheit deu origem a Rankine.

As escalas Kelvin e Rankine são chamadas "escalas absolutas" e somente elas podem ser usadas em cálculos.


A figura abaixo ilustra todas as escalas de temperatura:

DENSIDADE

É a massa por unidade de volume do gás.

A densidade varia inversamente com o volume, ou seja, a densidade aumenta quando o volume diminui e vice-versa.

Na figura abaixo, o gás comprimido tem a mesma massa do gás não comprimido (Não houve fuga do mesmo); porém, como o volume diminui, sua densidade é maior.

PRESSÃO ESTÁTICA

Sabemos que o ar contido no pneu de um automóvel ou o gás dentro de um botijão exercem uma pressão sobre as paredes do recipiente.

Esse tipo de pressão chama-se pressão estática, por que é exercida por um gás estático, isso é, em repouso.

LEI DOS GASES

É a lei que descreve o comportamento dos gases, ou seja, a maneira como variam a pressão, a temperatura e a densidade dos gases.

Como exemplo, temos:

• Se Aumentarmos a pressão de um gás:
• A Temperatura aumentará;
• A Densidade Aumentará;

• Se Aumentarmos a temperatura de um gás
• A pressão aumentará;
• A densidade diminuirá;

As variações de pressão, densidade e temperatura são sempre direta ou inversamente proporcionais entre si, em obediência à Lei dos Gases.

Por exemplo:

• Aumentando-se duas vezes a pressão de um gás, sua densidade também aumentará duas vezes.
• Diminuindo-se a temperatura de um gás para a metade, sua pressão também cairá para a metade do valor inicial.
• Aumentando-se a temperatura 7 vezes, sua densidade diminuirá 7 vezes.
• Aumentando-se a pressão 5 vezes, a temperatura aumentará 5 vezes.

NOTA:

As temperaturas consideradas devem ser absolutas, ou seja, quando se diz que a temperatura aumentou 2 vezes, subentende-se que a temperatura em graus RANKINE ou KELVIN aumentou duas vezes. 

Por exemplo, o dobro de 27ºC não é 54ºC. 

O valor certo é 327ºC, conforme explicado a seguir:

• 27ºC é igual a: 27 + 273 = 300º K;  

• O dobro de 300ºK é igual a 600ºK; 

• 600ºK é igual a 600 - 273 = 327ºC;

ATMOSFERA

É a camada de ar que circunda a terra; 

É a mistura de gases que contem aproximadamente:

1. 21% de Oxigênio;
2. 78% de Nitrogênio;
3. 1% de Outros Gases;

O ar atmosférico pode ainda conter vários componentes estranhos como a poeira, vapor d'água e poluentes diversos.

PRESSÃO ATMOSFÉRICA

É a pressão exercida pelo ar sobre todas as coisas que estão dentro da atmosfera.

Comprovando a existência dessa pressão, se fizermos um vácuo no interior de uma lata vazia de paredes finas, esta ficará inteiramente amassada devido à pressão atmosférica que age no lado externo.

VARIAÇÃO DOS PARÂMETROS ATMOSFÉRICOS

Os parâmetros atmosféricos mais importantes são:

• A Pressão;
• A Densidade;
• A Temperatura do Ar;

Como regra geral os valores destes três parâmetros diminuem quando a altitude aumenta.

A densidade depende ainda da umidade. Quanto maior a umidade, menor será a densidade do ar, pois o vapor d'água que constitui a umidade é mais leve do que o oxigênio e o nitrogênio do ar.

Além da altitude e da umidade, diversas influências meteorológicas fazem variar os parâmetros atmosféricos.

ATMOSFERA PADRÃO

O desempenho do avião, ou seja, a velocidade máxima, o comprimento da pista requerida para decolagem e etc, dependem muito dos parâmetros atmosféricos.

Como esses parâmetros variam de momento a momento e de acordo com o local, torna-se necessário criar uma Atmosfera Padrão, a qual nos possibilitaria:

• Calcular o desempenho de aviões em diversas condições, a partir de uma condição padrão.
• Comparar desempenhos de aviões diferentes.
• Padronizar os critérios de avaliação dos desempenhos de aviões pelos diversos fabricantes de todo o mundo.

ATMOSFERA PADRÃO ISA (ICAO STANDARD ATMOSPHERE)

A atmosfera padrão mais conhecida é a ISA, a qual foi definida pela Organização da Aviação Civil Internacional - OACI (ICAO em Inglês)  - com sede em Montreal, no Canadá.

São adotados os seguintes parâmetros para o nível do mar:

• Pressão : 1013,25 hPa (760mm de mercúrio) 29,92 Poleg.
• Densidade : 1,225 Kg/m³ (0,1249 Kgf.s².m⁴);
• Temperatura : 15ºC;

ALTÍMETRO

A pressão atmosférica diminui quando a altitude aumenta.

Isso pode ser aproveitado na construção dos altímetros dos aviões.

Na realizada, o altímetro é apenas um manômetro (Instrumento medidor de pressão) especialmente adaptado para mostrar ao piloto a altitude em que ele se encontra, em vez da pressão do ar fora do avião.

Depois de fabricado, o altímetro é calibrado para indicar a altitude correta na atmosfera padrão. 

Entretanto, na atmosfera real a pressão varia de forma diferente da atmosfera padrão; portanto a altitude indicada pelo altímetro apresentará um determinado erro.

Na prática, esse erro não apresenta inconvenientes quanto à segurança de voo, por que todos os aviões que voam em uma mesma região estarão com erros iguais, portanto sem perigo de colisão.

A altitude indicada pelo altímetro recebe o nome de Altitude de Pressão, e a altitude real em que o avião está voando chama-se Altitude Verdadeira.

ALTITUDE DENSIDADE

Como a densidade do ar atmosférico diminui com o aumento da altitude, é teoricamente possível construir um aparelho medir de densidade e adaptá-lo, transformando-o em um altímetro.

Entretanto, da mesma forma como acontece com a pressão atmosférica, a densidade do ar na atmosfera real também varia de maneira diferente da atmosfera padrão.

Portanto a altitude indicada pelo instrumento será quase sempre incorreta, e recebe o nome de Altitude Densidade.

Na prática, a altitude densidade só tem interesse no estudo do teto de subida (Altitude Máxima Atingida) dos aviões, conforme veremos no capítulo posterior.

Para determinar a altitude densidade, geralmente usam-se tabelas ou o computador de voo.

AERODINÂMICA E TEORIA DE VOO - Capítulo II - Física (Parte 2/2)

CAPÍTULO 2 
FÍSICA

Parte 2/2

Continuação...

ENERGIA  

É tudo aquilo que poder realizar trabalho.

Existem três tipos de energia, tais como:

• Energia Cinética;
• Energia Potencial Gravitacional;
• Energia de Pressão

ENERGIA CINÉTICA  

É a energia contida nos corpos em movimento.

Por exemplo, um carro em alta velocidade, nofinal de uma ladeira, possui energia cinética que o motorista pode aproveitar para vencer a próxima subida.

ENERGIA POTENCIAL GRAVITACIONAL

É a energia contida em um corpo colocado em local elevado.

Por exemplo, um carro no alto de uma ladeira possui energia potencial gravitacional. 

Graças a essa energia, ele pode descer ladeira abaixo, mesmo sem a ajuda do motor.

ENERGIA PRESSÃO

É a energia acumulada nos fluídos sob pressão.

Por exemplo, temos a energia do ar do pneu de um automóvel, a energia dos gases produzidos pela explosão da pólvora no interior de uma arma de fogo, etc...

COMPOSIÇÃO DE VETORES

É um método que serve para determinar a resultante de vários vetores.

A figura abaixo mostra um método prático para fazer composição dos ventos produzidos por dois ventiladores colocados perpendicularmente, a fim de determinar a intensidade, a direção e o sentido do vento resultante. Além das velocidades, as forças, aceleração e outros vetores podem ser compostos através do mesmo processo.

DECOMPOSIÇÃO DE VETORES

É um método usado para determinar os componentes de um vetor.

Por exemplo, um carro parado numa ladeira possui um componente do seu peso que o mantém no chão, e um outro componente que  empurra para a frente.

Esses dois componentes podem ser determinados através do método gráfico mostrado na figura abaixo:

VENTO RELATIVO

É o vento aparente que sopra sobre o corpo em movimento na atmsfera, geralmente no sentido contrário ao do movimento.

Por Exemplo, se um avião estiver subindo num ângulo de 20º, o vento relativo estará descendo na mesma velocidade do avião, no mesmo ângulo de 20º.

VELOCIDADE RELATIVA

É a velocidade de um corpo em relação a um outro corpo.

Por exemplo, se dois automóveis aproximam-se numa estrada, sem sentidos contrários, a 80 Km/h cada um, eles possuem velocidades relativas de 160 Km/h.

Ou 

Se um  automóvel movimenta-se a 80 Km/h na mesma direção de um vento que sopra a 60 Km/h, a sua velocidade relativa ao vento será de apenas 20 Km/h.

AERODINÂMICA E TEORIA DE VOO -> Capítulo II - Física (Parte 1/2)

CAPÍTULO 2 
FÍSICA

Parte 1/2

As seguintes noções de Física apresentada neste estudo, são indispensáveis para este curso.

VELOCIDADE  

É a distância percorrida por unidade de tempo.

As unidades mais usadas para medir a velocidade são:

• Km/h          - Quilômetro por hora;
• Mph            - Milha por Hora (1.609 Km/h);
• Kt                - "Knot" ou nó     (1,852 Km/h);

MASSA 

É a quantidade de matéria contida num corpo. A massa é invariável.

Por exemplo, um pacote fechado contendo 1 kg de presunto sempre terá a quantidade de 1 kg de presunto, mesmo que seja levado a lua, onde a força de gravidade é menor do que na terra.

As unidades mais usadas para medir a massa são:

• Kg -> Quilograma;
• Lb -> Libra (0,4536 kg);

FORÇA  

É tudo aquilo que é capaz de produzir ou modificar o movimento de um corpo.

É impossível fazer um objeto movimentar-se, parar ou mudar de direção sem aplicar uma força.

As unidades mais usadas para medir a força são:

• Kgf -> Quilograma-Força;
• Lbf -> Libra-Força(0,4536 kgf);

PESO  

É a força da gravidade. O peso é variável.

Por exemplo, o peso de uma pessoa é maior nos pólos do que no equador, devido a maior proximidade do centro da terra.

Na lua, o peso dos astronautas é menor do que na terra.

TRABALHO 

É o produto da força pelo deslocamento.

Por exemplo, na figura abaixo, um trator empurra uma pedra com uma força de 400kgf, deslocando-a por uma distância de 20 m.

O trabalho feito é igual a 400kgf.20 m = 8000kgf.m.

POTÊNCIA  

É o trabalho produzido por unidade de tempo.

Para calcular a potência, multiplicamos a força pela velocidade:

Potência = Força . Velocidade

A potência é geralmente medida de HP ("Horse Power"). um HP é a potência aproximada de um cavalo robusto, puxando um objeto com uma força de 76kgf, à velocidade de 1m/s (metro por segundo).

ACELERAÇÃO  

É a variação da velocidade por unidade de tempo.

Por exemplo, se um automóvel parado leva 10 segundos para atingir a velocidade de 40 m/s, isso significa que a sua velocidade aumenta de 4 m/s em cada segundo.

A aceleração é, portanto, igual a 4m/s².

Matematicamente, a aceleração é diretamente proporcional à força aplicada e inversamente proporcional a massa do corpo, ou seja:

 Aceleração = Força

                       Massa

INÉRCIA 

É a tendência natural dos corpos quando permanecem em repouso ou em movimento retilíneo uniforme.

Por exemplo, um trem parado não consegue atingir instantaneamente a velocidade de 100 km/h, devido sua inércia.

Vale também o contrário, um trem em movimento não é capaz de parar instantaneamente, devido a sua inércia.

DENSIDADE

É a massa por unidade de volume.

Por exemplo, a densidade da gasolina é igual a 0,72 kg/litro, ou seja, cada litro de gasolina tem a massa de 0,72 kg. 

MOMENTO (OU TORQUE) 

É tudo aquilo que pode causar rotação.

Por exemplo, uma força aplicada sobre a manivela faz aparecer um momento ou torque que produz o movimento de rotação em torno do eixo.

AÇÃO E REAÇÃO 

A Lei da Ação e Reação (ou 3º Lei de Newton) afirma que toda ação corresponde a uma reação de igual intensidade, porém de sentido contrário.

Por Exemplo, se colocarmos um objeto pesando 2 kgf sobre uma mesa, esta exercerá para cima uma força igual a 2 kgf sobre o projeto.

VETOR 

É toda grandeza matemática que possui intensidade, direção e sentido.

Por exemplo, um vento pode ser representado por um vetor de intensidade igual a 50 km/h, com direção horizontal e sentido Norte-Sul. 

Na figura anterior, a ação e a reação foram representadas por dois vetores (setas) verticais com sentidos opostos.

Por outro lado, certas grandezas não podem ser representadas por vetores. Por Exemplo, seria um absurdo afirmar que a temperatura num certo local é igual a 27ºC, com direção horizontal e sentido Norte-Sul.

                                                                                N

                                                                S

PRESSÃO 

É a força por unidade de área.

Por exemplo, a pressão do ar no pneu de um automóvel é de aproximadamente 1,5 kgf/cm².

Isso significa que a força exercida pelo ar em cada centímento quadrado do pneu é igual a 1,5 kgf.