Aerodinâmica é o estudo de como os gases interagem com os corpos em movimento. Como o gás que mais encontramos é o ar, a aerodinâmica preocupa-se principalmente com as forças de arrastamento e elevação, que são causadas pela passagem de ar e em torno de corpos sólidos. Os engenheiros aplicam os princípios da aerodinâmica aos desenhos de muitas coisas diferentes, incluindo edifícios, pontes e até bolas de futebol; contudo, a principal preocupação é a aerodinâmica dos aviões e automóveis.
Aerodinâmica entra em jogo no estudo do voo e da ciência da construção e operação de uma aeronave, que é chamada aeronáutica. Os engenheiros aeronáuticos utilizam os fundamentos da aerodinâmica para conceber aviões que voam através da atmosfera terrestre.
Arrastamento aerodinâmico
A força aerodinâmica mais significativa que se aplica a quase tudo o que se move através do ar é o arrastamento. O arrastamento é a força que se opõe ao movimento de uma aeronave através do ar, de acordo com a NASA. O arrastamento é gerado na direcção em que o ar se move quando encontra um objecto sólido. Na maioria dos casos, como nos automóveis e aviões, o arrastamento é indesejável porque é necessário poder para o ultrapassar. Existem, contudo, alguns casos em que o arrastamento é benéfico, tais como com pára-quedas, por exemplo.
Para descrever a quantidade de arrastamento num objecto, utilizamos um valor chamado coeficiente de arrastamento (cd). Este número depende não só da forma do objecto mas também de outros factores, tais como a sua velocidade e rugosidade superficial, a densidade do ar e se o fluxo é laminar (suave) ou turbulento. As forças que afectam o arrasto incluem a pressão do ar contra a face do objecto, o atrito ao longo dos lados do objecto e a pressão relativamente negativa, ou sucção, na parte de trás do objecto. Por exemplo, o cd de uma placa plana movendo-se face a face através do ar é cerca de 1,3, um cubo face a face é cerca de 1, uma esfera é cerca de 0,5 e uma forma de lágrima é cerca de 0,05. O coeficiente de arrastamento para automóveis modernos é de 0,25 a 0,35, e para aviões é de 0,01 a 0,03. O cálculo do cd pode ser complicado. Por esta razão, é normalmente determinado por simulações de computador ou experiências em túnel de vento.
Aerodinâmica das aeronaves
Para superar as forças de arrastamento, uma aeronave deve gerar impulso. Isto é conseguido com uma hélice motorizada ou com um motor a jacto. Quando o avião está em voo nivelado a uma velocidade constante, a força do impulso é apenas suficiente para contrariar o arrastamento aerodinâmico.
O ar em movimento pode também gerar forças numa direcção diferente da do fluxo. A força que impede a queda de um avião é denominada elevação. A elevação é gerada por uma asa de avião. O caminho sobre a parte superior curva de uma asa é mais longo do que o caminho ao longo da parte inferior plana da asa. Isto faz com que o ar se mova mais rapidamente sobre a parte superior do que ao longo da parte inferior. Sendo todos os outros factores iguais, o ar em movimento mais rápido tem menos pressão do que o ar em movimento mais lento, de acordo com o princípio de Bernoulli, declarado por Daniel Bernoulli, um dos mais importantes pioneiros no campo da dinâmica dos fluidos. Esta diferença é o que permite que o ar em movimento mais lento empurre para cima contra a base da asa com maior força do que o ar em movimento mais rápido empurra para baixo contra a parte superior da asa. Em voo nivelado, esta força ascendente é apenas suficiente para contrariar a força descendente causada pela gravidade.
Forças aerodinâmicas são também utilizadas para controlar uma aeronave em voo. Quando os irmãos Wright fizeram o seu primeiro voo em 1903, precisavam de uma forma de controlar a sua aeronave para subir, descer, bancar e virar. Eles desenvolveram o que é conhecido como controlo de três eixos para o passo, o rolo e o bocejar. O passo (nariz a apontar para cima ou para baixo) é controlado por um elevador (os “flaps”) na parte de trás ou no bordo de fuga do estabilizador horizontal na secção da cauda. O rolo (inclinação para a esquerda ou direita) é controlado por ailerons (também abas) nos bordos de fuga das asas perto das pontas. O guincho (nariz a apontar para a esquerda ou direita) é controlado pelo leme na borda de fuga do estabilizador vertical na secção da cauda. Estes controlos empregam a Terceira Lei do Movimento de Newton porque geram força ao desviar o fluxo de ar na direcção oposta à do movimento desejado. Esta força é também o que permite aos aviões acrobáticos voar de cabeça para baixo.
Um piloto também pode utilizar flaps na secção interior da borda de descida da asa durante a descolagem e a aterragem. Quando na posição descendente, os flaps aumentam tanto a elevação como o arrastamento para permitir que o avião voe mais devagar sem empatar. Algumas aeronaves maiores podem também estender ripas nas bordas dianteiras ou de ataque das asas para aumentar a elevação a baixas velocidades.
Quando o fluxo de ar suave sobre a asa de um avião é perturbado e isto reduz a quantidade de elevação, pode ocorrer uma paragem. Segundo o Manual de Voo de Avião da Administração Federal de Aviação, “Isto é causado quando a asa excede o seu ângulo crítico de ataque. Isto pode ocorrer em qualquer velocidade de voo, em qualquer atitude, com qualquer regulação de potência”. Tipicamente, a maioria das paragens ocorrem quando uma aeronave se move demasiado devagar com o nariz demasiado alto de um ângulo ascendente. O ar já não flui ao longo da superfície superior, mas em vez disso parte-se e forma redemoinhos turbulentos no topo da asa. Isto faz com que o avião perca a elevação e comece a cair, por vezes de forma bastante abrupta.
Outra coisa que pode acontecer num avião é um giro. O Airplane Flying Handbook define um giro como “uma batida agravada que resulta no que se designa por ‘auto-rotação’ em que o avião segue um percurso de saca-rolhas para baixo”. Isto ocorre normalmente numa curva lenta quando o mais lento dentro da asa gira, e a asa exterior ainda está a gerar elevação. “Especialmente a baixa altitude, a recuperação bem sucedida da rotação pode ser difícil se não impossível em muitos aviões”, de acordo com Scot Campbell, doutorando em Engenharia Aeroespacial na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, e Donald Talleur, instrutor de voo assistente do Instituto de Aviação da Universidade de Illinois, escrevendo em “The Aerodynamics of a Spin”, para a Associação Canadiana de Proprietários e Pilotos. Uma razão para isto é o perigo de entrar numa rotação plana em que ambas as asas e todas as superfícies de controlo estão paradas, e a aeronave cai como uma semente de ácer.
Aerodinâmica dos automóveis
Automobiles começou a utilizar formas aerodinâmicas da carroçaria na parte inicial da sua história. À medida que os motores se tornaram mais potentes e os carros mais rápidos, os engenheiros de automóveis aperceberam-se de que a resistência ao vento dificultava significativamente a sua velocidade. Os primeiros carros a adoptar uma aerodinâmica melhorada, ou streamlining, foram os carros de corrida e os que tentavam quebrar o recorde de velocidade terrestre.
“Sonhadores, engenheiros, pilotos e empresários foram atraídos pelo potencial para os ganhos profundos da aerodinâmica oferecida”, escreveu Paul Niedermeyer, autor de “Automotive History”: An Illustrated History Of Automotive Aerodynamics”, no website Curbside Classic. “Os esforços para o fazer renderam alguns dos carros mais notáveis alguma vez feitos, mesmo que desafiassem os pressupostos estéticos do seu tempo”,
Regardando a aerodinâmica de um carro de corrida, Dr. Joe David, professor de engenharia mecânica e aeroespacial, e conhecido como “Mr. Stock Car” na Universidade Estadual da Carolina do Norte, disse, “A maior parte da potência gerada por um motor de corrida é consumida pelo ar de alta pressão que empurra a frente do carro e o ar de baixa pressão – um vácuo parcial – arrastando-se no carro por trás””
No entanto, o arrastamento não pode ser a única consideração. Embora o elevador seja desejável para um avião, pode ser perigoso para um automóvel. A fim de manter um melhor controlo da direcção e da travagem, os automóveis são concebidos de modo a que o vento exerça uma força descendente à medida que a sua velocidade aumenta. No entanto, o aumento desta força descendente aumenta o arrastamento, o que por sua vez aumenta o consumo de combustível e limita a velocidade, pelo que estas duas forças devem ser cuidadosamente equilibradas.
Muitas classes de carros de corrida utilizam perfis aéreos móveis em forma de asa para ajustar a força descendente do ar no carro. Ao montar um carro de corrida, também se deve considerar a turbulência causada por outros carros na pista. Isto requer o ajuste dos aerofólios no carro para produzir uma força descendente maior durante a corrida do que a necessária para a qualificação quando o carro está na pista por si só. É por isso que os tempos de volta durante a qualificação são normalmente muito mais rápidos do que durante a corrida.
Muitos dos mesmos princípios aerodinâmicos utilizados nas corridas também se aplicam a carros e camiões normais. Os engenheiros automóveis utilizam simulações por computador e experiências em túnel de vento com modelos à escala e veículos reais para afinar a aerodinâmica dos automóveis de modo a gerar a quantidade ideal de força descendente para as rodas da frente e de trás com a menor quantidade possível de arrasto.
Recursos adicionais
- Veja uma galeria de alguns automóveis realmente frescos e aerodinâmicos no Curbside Classic’s Illustrated History of Automotive Aerodynamics.
- O website do Smithsonian National Air and Space Museum tem actividades e projectos multimédia sobre “How Things Fly”.”
- Measure o coeficiente de arrasto do seu carro numa experiência no sítio web do Instructables.
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