Aerodinâmica

É o estudo das forças que atuam sobre um objeto em movimento no ar que o envolve. As forças aerodinâmicas agem sobre aeronaves, barcos a vela, automóveis, ou qualquer outro objeto que se desloque no ar. Cientistas e engenheiros estudam as forças aerodinâmicas porque estas afetam o movimento dos objetos. Os engenheiros utilizam os princípios da aerodinâmica ao projetarem aviões e outros objetos afetados pelas forças aerodinâmicas.

O estudo da aerodinâmica foi a condição necessária para a construção dos primeiros aviões. Atualmente, a indústria aeronáutica usa os princípios aerodinâmicos ao projetar qualquer tipo de avião. Mas estes princípios também se aplicam à força do ar que passa por edifícios ou pontes. Em conseqüência, os arquitetos tem que basear-se na aerodinâmica para certificar-se que um arranha-céu poderá suportar a força do vento. Da mesma forma, a aerodinâmica ajuda os desenhistas a melhorarem o desempenho dos automóveis.

Por extensão, os engenheiros utilizam os princípios da aerodinâmica ao lidarem com as forças que atuam sobre objetos postos em fluidos que não sejam o ar. É o caso por exemplo, dos engenheiros que fazem o projeto de um submarino, e o dos que projetam bombas, carburadores de automóveis e turbinas a gás e a água. A aerodinâmica é parte de um ramo da engenharia e da física que estuda a dinâmica dos fluidos.

Algumas espécies de vôos, não envolvem a aerodinâmica. Uma espaçonave que se desloca acima da atmosfera, não envolve a aerodinâmica, porque ali não existe ar que produza forças aerodinâmicas. Somente o vôo na atmosfera terrestre ou de outros planetas implica a aerodinâmica.

Princípios da Aerodinâmica

A maioria dos princípios de aerodinâmica estão ligados às duas forças aerodinâmicas básicas – sustentação e arrasto.

Sustentação é uma força aerodinâmica produzida pelo movimento de um aerofólio (asa) através do ar. A sustentação dá a um aeroplano a capacidade de subir no ar e aí se manter durante o vôo. Um aerofólio que se move no ar produz a sustentação porque exerce em sua superfície inferior uma pressão maior do que na superfície superior. Um aerofólio cria essa diferença de pressão por causa de sua forma especial, chamada curvatura, e da deflexão (desvio) do ar. A quantidade de sustentação produzida por uma asa depende em parte de seu ângulo de ataque e de seus dispositivos de alta sustentação.

Curvatura. A maioria dos aerofólios tem uma superfície superior curvada, e uma superfície inferior plana ou menos curva. Diríamos que sua forma é arqueada ou abaulada. O ar que passa sobre a parte superior de uma asa arqueada tem de percorrer um caminho maior que o ar que flui por baixo dela. Pelo fato de o ar que passa por cima deslocar-se, no mesmo período de tempo, mais que o ar debaixo, o ar de cima flui mais depressa. Segundo um princípio descoberto pelo matemático suíço Daniel Bernoulli, a pressão de um fluido diminui na razão do aumento de sua velocidade. Assim sendo, a pressão do ar acima de uma asa arqueada é menor que a pressão abaixo dela. O resultado é a força de sustentação que impele a asa para cima.

Deflexão. Um aerofólio também pode produzir sustentação pela deflexão do ar. Ele deflete o ar quando o encontra em ângulo. Portanto, de acordo com a terceira lei de Newton, que diz que toda reação corresponde a uma reação igual e contrária, se um aerofólio deflete o ar para baixo, a reação a esse movimento força a asa para cima – e produz sustentação.

Alguns aviões, usam tanto a curvatura como a deflexão para produzir sustentação.

Ângulo de Ataque. É o ângulo que uma asa forma com o ar que passa ao longo dela. Um piloto pode mudar esse ângulo, ao alterar a atitude do avião (posição do avião no espaço). Até certo ponto, o aumento de ângulo de ataque acresce a força de sustentação produzida pela asa. Um aumento da sustentação significa que o aeroplano pode subir mais rapidamente ou voar com menor velocidade.

Arrasto. É uma força aerodinâmica que opõe resistência ao movimento de um objeto para diante. A forma do objeto aumenta a força de arrasto. Aos objetos fabricados com formas destinadas a produzir o mínimo possível de arrasto damos o nome de aerodinâmicos. Os projetistas da indústria aeronáutica, desenham os aviões de modo a reduzir ao mínimo o arrasto. Os aviões construídos segundo esses princípios precisam de motores menos potentes para voar, e a redução do arrasto também melhora o desempenho do avião. Outros meios de transporte também estão sujeitos ao arrasto.

Dois tipos de arrasto – arrasto de atrito e arrasto de forma agem sobre todos os objetos em movimento. Um terceiro tipo, arrasto induzido, só afeta os aviões. Existe ainda outra espécie de arrasto, que resulta quando um avião voa em velocidade superior à do som.

Arrasto de Atrito é o que ocorre junto à superfície de um objeto. É produzido numa fina camada de ar, chamada camada limite. O atrito resulta do deslizamento de uma camada de fluido sobre outra camada. As moléculas de ar da camada limite movem-se em: Vias regulares paralelas à superfície; ou vias irregulares.

Arrasto de Forma é o que se observa quando o ar passa ao longo do objeto e em certo ponto, se afasta dele. Este tipo de arrasto produz turbilhões de ar que subtraem energia ao objeto e retardam seu movimento. O arrasto de forma pode ocorrer com objetos que não sejam aerodinâmicos.

Os engenheiros reduzem o arrasto de forma tornando o objeto aerodinâmico. Eles também colocam geradores de vórtices nas asas dos aviões. Estes dispositivos são pequenos aerofólios fixados em longas fileiras no ponto de uma asa principal. Os geradores produzem pequenos redemoinhos, para evitar que o ar se afaste da asa.

Arrasto Induzido. A diferença de pressão acima e abaixo de um aerofólio cria no ar uma tendência a fluir em direções opostas ao longo das asas, segundo o comprimento dessas. O ar da face inferior das asas tende a fluir para fora, o ar do topo das asas tende a fluir para dentro. Os físicos, chamam a esse movimento de corrente de envergadura.

Linhas Aerodinâmicas. Dá-se esse nome às linhas com que se desenha um corpo ou à sua conformação para que encontre um mínimo de resistência ao se deslocar através de um fluido (líquido ou gás). A melhor forma aerodinâmica para um corpo depende de sua velocidade através do fluido. Se for menor que a do som, convém que seja mais arredondado na frente e que se vá afilando para trás. É a forma com que observamos nos submarinos e nos aviões supersônicos.

Aerodinâmica na História

O uso de aviões durante a Primeira Guerra Mundial e Segunda Guerra Mundial, levou a extensas pesquisas no campo da aerodinâmica. Após o desenvolvimento dos aviões a jato na década de 1940, os engenheiros passaram a estudar o vôo supersônico. Em 1947, um aeroplano com propulsão a foguete tornou-se a primeira aeronave a voar com velocidade superior à do som.

Durante a década de 1950, os engenheiros aeronáuticos desenvolveram aviões com nariz em bico e asas projetadas para trás a fim de reduzir o arrasto. No início da década de 1960, os engenheiros criaram asas que podem se deslocar com suas pontas para frente e para trás durante o vôo, e que com essa variação permitem tanto o vôo em alta velocidade como o pouso seguro com velocidade reduzida.

No início da década de 1960, França, Inglaterra trabalhando em conjunto com diversos países, construíram grandes aviões supersônicos (Concorde e Tupolev).

Ainda restam problemas aerodinâmicos de vulto a serem resolvidos. Entre eles, novos desenhos de aviões supersônicos que reduzam ao mínimo os estrondos sônicos, desenvolvimento de aeroplanos com redução da força de arrasto, para vôos mais econômicos e aperfeiçoamento do motor a reação (jato) para diminuir o ruído dos aviões.