Tutorial Fly Higher IV A CIÊNCIA DO VOO.

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1 Tutorial Fly Higher IV A CIÊNCIA DO VOO

2 Representação do equilíbrio de forças
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) L = Sustentação: puxa o avião para cima W = Peso: puxa o avião para baixo T = Tração: puxa o avião para a frente D = Arrasto: puxa o avião para trás (sentido contrário) Representação do equilíbrio de forças

3 Todos representam as quatro FORÇAS.
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. Retirado de e adaptado pela parceria Fly Higher. Terceira Lei de Newton Motor empurrado para a frente Fluxo empurrado para trás Motor a jato

6 SUSTENTAÇÃO ARRASTO 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 PESO TRAÇÃO 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 L = Sustentação: puxa o avião para cima W = Peso: puxa o avião para baixo T = Tração: puxa o avião para a frente D = Arrasto: puxa o avião para trás (sentido contrário)

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 Um túnel de vento artificial (computorizado) faz uma animação de ar a deslocar-se da esquerda para a direita. Azul = pressão baixa Vermelho = pressão mais elevada do que a normal (pressão alta) Uma forma de força de sucção é criada. PRESSÃO ALTA

10 Aerodinâmica A sustentação
PRESSÃO BAIXA PRESSÃO ALTA Um túnel de vento artificial (computorizado) faz uma animação de ar a deslocar-se da esquerda para a direita. Azul = pressão baixa Vermelho = pressão mais elevada do que a normal (pressão alta) Uma forma de força de sucção é criada. 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 atua diretamente na direção do fluxo de ar – daí a SUSTENTAÇÃO!

11 Os motores que nos empurram para a frente!
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 Para completar a explicação, deverá ser reforçado que um motor a jato ou de hélices deve ser usado para neutralizar a força de arrasto, fornecendo uma força que reage numa direção oposta empurrando toda a asa e o avião para a frente. 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 L = ½ ρ V2S CL 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 De que força é que estamos a falar?
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. Concorde em posição de táxi (ou rolagem 1) onde se verifica a fricção dos pneus. O motor Trent Rolls Royce 1000 é usado nos aviões 787 desde 2006 (este modelo de aviões é um dos mais modernos aparelhos de aviação usado no transporte de passageiros) A fricção no solo é uma força importante para um avião que se desloca na pista. F = μR em que R é a força de Reação (isto é a força exercida pelo solo quando sustenta um avião; R = W neste ponto)

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. From the 787 again showing a very high usage of composite materials, although these are not quite strong enough to provide everything we make on the aircraft. The supports for the engines are Titanium (strongest metal choice), and the key structural parts are Aluminium (lightest metal choice) as this is better in loading than carbon fibre. The ‘Carbon sandwich’ his not strictly a composite as it is 50/50 aluminium and carbon fibre plate/sheet. Formally Aluminium was used alone, but a complete replacement with carbon fibre sheet is not yet possible for reasons relating to the bending forces experienced in flight. Outros Fibras de carbono Aço Camadas de carbono Fibras de vidro Titânio Compósitos Alumínio Alumínio Pilares de Alumínio/aço/titânio

16 O que é que isto significa?
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 é ρ = 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? O mesmo avião levantaria com maiores dificuldades num local onde o ar é menos denso, uma vez que seria necessário um maior fluxo de ar sobre as asas, de forma a conseguir descolar com maior segurança (teria que ir mais rápido - maior impulso).

17 A isto chamamos AdA – Ângulo de Ataque.
Aerodinâmica De que outra forma podemos aumentar a SUSTENTAÇÃO? FLUXO DE AR 6˚ 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. O melhor Ângulo de Ataque (AoA) é normalmente de graus. A maior parte dos aviões têm o valor definido para os 5-10 graus, para que consigam movimentar o perfi de alar para cima (ou “pitch” – ver próximos slides).

18 Aumentar a SUSTENTAÇÃO
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? O ângulo de ataque é apresentado em graus em relação a uma posição inicial horizontal de zero, para cima = positivo, para baixo = negativo.

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 ARRASTO! O inimigo dos voos! Aerodinâmica Ângulo de Ataque
A imagem a amarelo apresenta que quanto maior for a área no ar, maior a resistência, uma vez que existe uma área maior para o ar rodear. 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. Tendo em consideração apenas a linha vermelha, repare que esta indica um aumento exponencial e que após graus a sua taxa de subida é consideravelmente mais acentuada. (Ângulo de ataque em graus).

22 O que pensas que acontecerá a um avião que alcança este ponto?
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? Perguntar aos alunos: Onde está o ponto de estagnação no gráfico? (23 graus) Onde está a máxima elevação em termos de ângulo de ataque? (cerca de 18 graus) Qual seria um bom ângulo de ataque seguro para fixar o avião? ( graus seria seguro e este é também o ângulo máximo no qual os passageiros se sentem confortáveis ao subir).

23 Aerodinâmica Tudo na Conceção
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? Os flaps e ailerons alteram a forma da asa dependendo da tarefa a ser realizada pelo avião – ex: diminuem o grau de elevação ao aterrar e viram o avião para a esquerda ou direita.

24 1. 2. Aerodinâmica Tudo na Conceção 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? 1= Viagem 2 = Levantar voo 3 = Aterragem 2 tem a forma que tem, porque aumentamos a área efetiva da asa para levantar voo mais rapidamente e colocar menos pressão nos motores 3 tem a forma que tem, pois anula a força de elevação para ajudar nas operações de descida e aterragem

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 Talvez no futuro possas vir a ser um engenheiro de Aeronáutica!
E finalmente... 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. Esperamos que queiras aprender mais e que procures mais informação na Internet – existe muita informação disponível a diferentes níveis de compreensão científica. Imagem – Conceito de “Airbus de passageiros” retirado do seu plano de visão 2050. Talvez no futuro possas vir a ser um engenheiro de Aeronáutica!

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