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Tutorial Fly Higher IV. A CIÊNCIA DO VOO. Aerodinâmica Princípios elementares. Para que um avião consiga voar são necessárias duas coisas: Tração (T) Sustentação (L)

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Presentation Transcript
tutorial fly higher iv

Tutorial FlyHigher IV

A CIÊNCIA DO VOO

slide2

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

slide3

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?

slide4

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?

slide5

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

slide6

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.

slide7

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.

slide8

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

slide9

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

slide10

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!

slide11

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

slide12

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.

slide13

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

slide14

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.

slide15

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

slide16

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?

slide17

Aerodinâmica

  • De que outra forma podemos aumentar a SUSTENTAÇÃO?

FLUXO DE AR

10˚

16˚

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.

slide18

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?

slide19

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 ?

slide20

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…

slide21

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.

slide22

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?

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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?

slide24

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?

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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.

slide26

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.

slide27

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

slide28

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.