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FACULDADE DE CIENCIAS AERONAUTICAS TECNOLÓGICO EM PILOTAGEM PROFISSIONAL DE AERONAVES

WELLINGTON LUIZ DA RESSURREIÇÃO RODRIGO BRAGUETTO

FFOORRÇÇAASS AAEERROODDIINNÂÂMMIICCAASS

Curitiba Pr Ano 2008

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WELLINGTON LUIZ DA RESSURREIÇÃO RODRIGO BRAGUETTO

FFOORRÇÇAASS AAEERROODDIINNÂÂMMIICCAASS

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação: Curso Superior de Tecnologia em Pilotagem Profissional de Aeronaves, da Universidade Tuiuti do Paraná – Faculdade de Ciências Aeronáuticas, como parte das exigências para a obtenção do título de

Orientador: Rosana Mattioda

Curitiba Pr Ano 2008




TERMO DE APROVAÇÃO

AUTOR

TÍTULO

Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado e aprovado para obtenção do Título de Tecnólogo em

Pilotagem Profissional de Aeronaves da Faculdade de Ciências Aeronáuticas da Universidade Tuiuti do

Paraná.

Curitiba, 09 de Dezembro de 2008

_________________________________

Tecnologia em Pilotagem Profissional de Aeronaves

Nome do Coordenador

Faculdade de Ciências Aeronáuticas Universidade Tuiuti do Paraná

Orientador: _______________________________

Rosana Adami Mattioda




SUMÁRIO LISTA DE FRIGURAS.... ....................................................................06 RESUMO..............................................................................................07 ABSTRACT..........................................................................................08 1. INTRODUÇÃO...............................................................................09 1.1 QUESTÃO PROBLEMA..........................................................09 1.2 OBJETIVO.................................................................................09 1.3 JUSTIFICATIVA........................................................................09 1.4 MÉTODOLOGIA......................................................................10 2. FUNDAMENTAÇÃO TEORICA ..................................................10 2.1 AERODINAMICA....................................................................11

2.2 VOO RETO E NIVELADO.......................................................11 2.3 EMPUXO.................................................................................13

2.4 ARRASTO...............................................................................14 2.4.1 ARRASTO DE ATRITO.......................................................15 2.4.2 ARRASTO DE FORMA.......................................................16 2.4.3ARRASTO INDUZIDO.........................................................16 3. LINHAS AERODINAMICAS.......................................................16

4. PESO...........................................................................................17 5. SUSTENTAÇÃO........................................................................18

5.1 COMO A SUSTENTAÇÃO É CRIADA?.................................19 5.2 FLUIDOS..................................................................................21 6. PRINCIPIOS DA AERODINAMICA............................................22 6.1 CURVATURA...........................................................................23 6.2 DEFLEXÃO..............................................................................23 6.3 ÂNGULO DE ATAQUE...........................................................24 7. DISPOSITIVOS DE ALTA SUSTENTAÇÃO............................25 7.1 FLAPE.....................................................................................26 7.2 ALETA.....................................................................................27 7.3 SLOT.......................................................................................27 7.3 SLAT.......................................................................................27 11. CONCLUSÃO..............................................................................28




12. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..........................................29




Lista de figuras

Figura 1 ...................................................................................................página 12.

Ilustra as forças aerodinâmicas: empuxo, arrasto, peso e sustentação.

Figura 2 ...................................................................................................página 15.

Auxilia na compreensão dos tipos de arrasto, mínimo, médio e grande arrasto.

Figura 3 ...................................................................................................página 19.

Explicação da sustentação.

Figura 4......................................................................................................página 20.

Áreas atingidas pelo ar em uma asa.

Figura 5.......................................................................................................página 25.

Ângulo de ataque.

Figura 6 ....................................................................................................... página 26.

Tipos de Flap.




RESUMO O objetivo geral da pesquisa é demonstrar os aspectos de forças que atuando conjuntamente na aeronave possibilita-a de se manter estável, descrevendo como cada força aerodinâmica atua em um vôo. Explicaremos o empuxo, arrasto, peso e sustentação frisando como cada um atua na aeronave. Palavra chave: Aeronave, forças aerodinâmicas e sustentação.




ABSTRACT

The aim of the research is to demonstrate aspects of forces acting together in the aircraft that allows it to remain stable, describing how each aerodynamic forces acting on a flight. Explain the thrust, drag, weight and support emphasizing how each operates the aircraft.

Keyword: Aircraft, aerodynamic forces and support.




1. INTRODUÇÃO

O presente trabalho faz um breve relato das forças atuantes em uma aeronave,

ressaltando noções necessárias para a compreensão do estudo, tais como: O que é

aerodinâmica, seus princípios, características para um vôo estável, quais são os tipos de

aerofólios usados para cada tipo de vôo, ângulos de ataque, do que depende um aerofólio

para sustentar um avião, arrasto induzido, alongamento das asas, e explicar os arrastos

que gera cada parte do avião.

1.1 QUESTÃO PROBLEMA

Quais são as forças e como elas podem atuar conjuntamente possibilitando a aeronave

de obter sustentação e voar?

1.2 OBJETIVOS

O objetivo geral da pesquisa é demonstrar os aspectos de forças que atuando

conjuntamente na aeronave possibilita-a de se manter estável, descrevendo como cada

força aerodinâmica atua em um vôo.

1.3 JUSTIFICATIVA

O presente trabalho faz um breve relato das forças atuantes em uma aeronave,

ressaltando noções necessárias para a compreensão do estudo, tais como: O que é

aerodinâmica, seus princípios, características para um vôo estável, quais são os tipos de




aerofólios usados para cada tipo de vôo, ângulos de ataque, do que depende um aerofólio

para sustentar um avião, arrasto induzido, alongamento das asas, e explicar os arrastos

que gera cada parte do avião.

1.4 METODOLOGIA

A natureza do estudo é qualitativa, tendo em vista que serão mostrados quadros e tabelas

para caracterizar os dados referentes aos resultados obtidos em vôo.

A pesquisa é exploratório, explicativo e avaliativo. É exploratório, pois tem por objetivo

descobrir as informações e razões que favoreceram a descoberta da força aerodinâmica.

É explicativo no sentido de não somente apresentar os aspectos acima citados, mas

contextualizar a pesquisa para se fazer entender a ciência.

Por último, o caráter avaliativo da pesquisa está fundamentado na análise dos resultados

obtidos pela força aerodinâmica e sua importância na hora do vôo.

FUNDAMENTAÇÃO TEORICA

Iniciaremos o trabalho com o estudo das principais forças atuantes em uma aeronave.




2.1 AERODINAMICA

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.

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.

2.2 VOO DIRETO E NIVELADO

Para um avião voar em linha reta e nivelado as seguintes relações devem ser

verdadeiras:

Empuxo = Arrasto

Sustentação = Peso

Se o arrasto superar o empuxo, o avião vai perder velocidade. Se o empuxo aumentar e

superar a força de arrasto, o avião vai acelerar.

Da mesma forma, se a sustentação for menor que o peso do avião, o avião descerá. Ao

aumentar a sustentação, o piloto faz o avião subir.

As quatro forças atuando em um avião em vôo são:




1- Sustentação,

2- Empuxo,

3- Peso e

4- Arrasto

Vôo direto significa que o nariz do avião permanece apontado

em uma direção e as asas estão paralelas ao horizonte da terra.

Vôo nivelado significa que o avião não ganha nem perde altitude




2.3 EMPUXO

O empuxo é a força que atua para a frente, produzida por uma hélice que gira o motor.

Para a maioria, quanto maior o motor (significando mais potência), maior o empuxo

produzido e maior a velocidade do avião, até certo ponto. O movimento para a frente

sempre gera uma penalidade aerodinâmica chamada arrasto. O empuxo faz com que o

avião acelere, mas o arrasto determina sua velocidade final. À medida que a velocidade

do avião aumenta o arrasto também aumenta. Por causa da alteração da natureza,

duplicar a velocidade do avião na verdade quadruplica o arrasto. Finalmente, a tração

para trás do arrasto iguala o empuxo do motor e uma velocidade constante é obtida.

2.4 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.




É para reduzir o arrasto que logo após a decolagem um avião de recolhe o trem de pouso,

guardando-o na fuselagem (o corpo) do avião, assim o piloto do avião quer tornar a

aeronave o menor possível para reduzir o arrasto. A quantidade de arrasto produzida pelo

trem de pouso de um jato é tamanha que, em velocidade de cruzeiro, o trem de pouso

seria arrancado do avião. Notamos na figura a seguir que o arrasto depende não da parte

frontal do objeto, mas sim, da parte traseira do mesmo causando turbulência (*) atrás do

objeto “ puxando-o” para frente.

Na figura apresentada abaixo, percebe-se que o arrasto depende da forma do objeto.




Figura 2

Existem 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.

2.4.1 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.




2.4.2 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.

(*) A rigor o arrasto não é produzido pela turbulência em si, mas pela redução da pressão atrás dos objetos.

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.

2.4.3 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.

3. 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.

Os efeitos da linha aerodinâmica podem ser medidos em um túnel aerodinâmico. Afora as

linhas aerodinâmicas, três outros fatores afetam o arrasto: a densidade do fluido, a

proporção da área do corpo que entra em contato com o fluido e a velocidade do corpo

através do fluido. A força de arrasto dobra se dobrar a densidade do fluido ou a área do

corpo que entra em contato com o fluido. Quando dobra a velocidade do corpo, a força de

arrasto é multiplicada por quatro.

4. PESO

O peso neste caso é uma força que é sempre dirigida para o centro do avião: trata-se da

força da gravidade. A magnitude desta força depende de todas as partes do avião, mais a

quantidade de combustível , mais toda a carga (pessoas, bagagens, etc.). O peso é

gerado por todo o avião. Mas nós podemos simplesmente imaginá-la como se atuasse

num único ponto, chamado centro de gravidade.

Em vôo, o avião gira sobre o centro de gravidade, e o sentido da força do peso dirige-se

sempre para o centro da terra. Durante um vôo, o peso do avião muda constantemente à




medida que o avião consome combustível. A distribuição do peso e do centro de

gravidade pode também mudar, e por isso o piloto deve constantemente ajustar os

controles, ou transferir o combustível entre os depósitos, para manter o avião equilibrado

5. SUSTENTAÇÃO

È 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.




Figura 3

5.1 COMO A SUSTENTAÇÃO É CRIADA

A sustentação é uma força em uma asa (ou qualquer outro objeto sólido) imersa em um

fluido em movimento, e atua de forma perpendicular ao fluxo do fluido (arrasto é a mesma

coisa, só que atua paralelamente à direção do fluxo de fluido). A força líquida é criada por

diferenças de pressão geradas por variações na velocidade do ar em todos os pontos ao

redor da asa. Essas variações de pressão são causadas pela interrupção e pelo desvio do

fluxo de ar que passa pela asa. A distribuição de pressão medida em asas tradicionais se

assemelha ao seguinte diagrama:




figura 4

A. o ar aproximando-se da parte superior da asa é comprimido no ar acima dele,

conforme se desloca para cima. Assim, visto que a parte superior se curva para

baixo e para longe do fluxo de ar, uma área de baixa pressão é desenvolvida - e o

ar acima é empurrado para baixo, em direção à traseira da asa;

B. o ar que se aproxima da superfície inferior da asa é retardado, comprimido e

redirecionado em um trajeto descendente. Conforme o ar se aproxima da parte

traseira da asa, ele acelera e a pressão gradualmente se equipara àquela do ar

deslocando-se para cima. Os efeitos totais da pressão encontrados na parte

inferior da asa em geral são menos perceptíveis do que aqueles na parte superior

da asa;

C. componente de sustentação;

D. força líquida;

E. componente de arrasto.




Ao adicionar todas as pressões que atuam sobre a asa (por todo o lugar), obtém-se a

força absoluta na asa. Parte dessa sustentação vai levantar a asa (componente de

sustentação) e o restante serve para desacelerar a asa (componente de arrasto).

Como a quantidade de fluxo de ar desviado pela asa aumenta, as diferenças de

velocidade e pressão entre as partes superior e inferior se tornam mais evidentes,

aumentando a sustentação. Há muitas maneiras de aumentar a sustentação de uma asa,

tal como aumentar o ângulo de ataque ou a velocidade do fluxo de ar. Esses e outros

métodos são explicados em detalhes mais adiante, neste artigo.

5.2 FLUIDOS

Como mencionamos, um dos principais conceitos na aerodinâmica é a idéia de que o ar é

um fluido. Como todos os gases, o ar flui e se comporta de maneira similar à água e

outros líquidos.

Mesmo que ar, água e mel possam parecer substâncias totalmente diferentes, todas

obedecem ao mesmo conjunto de relações matemáticas. Na verdade, os testes básicos

de aerodinâmica às vezes são realizados debaixo d'água.

Outro conceito importante é o fato de que a sustentação existe apenas na presença de

um fluido em movimento. Isso também se aplica para o arrasto. Não importa se o objeto

está parado e o fluido em movimento, ou se o fluido está parado e o objeto se movendo.

O que realmente importa é a diferença relativa de velocidade entre o objeto e fluido.

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.

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.

6. PRINCIPIOS DA AERONINÂMICA

A maioria dos princípios de aerodinâmica estão ligados às duas forças aerodinâmicas

básicas – sustentação e arrasto




6.1 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.

6.2 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.




6.3 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. O angulo de ataque desempenha importante papel na segurança

de vôo. O ar não pode fluir suavemente ao longo da asa quando o angulo se torna

demasiado agudo. Ao contrário, neste caso, a corrente de ar se divide em pequenos

redemoinhos no topo da asa. Os redemoinho cortam bruscamente a sustentação e

provocam uma queda no avião. A esse fenômeno dá-se o nome de estol. O avião pode

cair, a menos que esse reduza prontamente o angulo de ataque. Os aeroplanos voam em

um angulo que vai de 3 ou 4 graus até 15 graus. Se o angulo passar acima de 15 ou 20

graus, o aeroplano entrará em estol.

Afigura a seguir descreve que:

-quanto menor a velocidade do avião, maior será seu ângulo de ataque.




Figura 5

7. DISPOSITIVOS DE ALTA SUSTENTAÇÃO

A sustentação produzida por um aerofólio depende da velocidade com que a asa corta o

ar. Se a asa não se desloca com suficiente rapidez, a diferença de pressão acima e

abaixo não produzirá sustentação bastante para manter o avião no ar. Entretanto, durante

os pousos e decolagens os pilotos querem voar com a menor velocidade possível. Os

aviões dispõem de partes chamadas dispositivos de alta sustentação que lhes provêm

suficiente sustentação para voarem em velocidades mínimas. Esses dispositivos incluem

o flape, o aleta e o slot.




7.1 FLAPE

È uma seção articulada na parte posterior de cada asa. Durante o vôo normal, ajusta-se à

asa sem ressalto. O piloto baixa os flapes para o pouso às vezes para a decolagem.

Quando abaixados, os flapes aumentam o arqueamento da asa, o que fornece um reforço

de sustentação. Os flapes também ajudam a retardar o avião durante a operação de

pouso. Existe quatro tipos de flapes: o flape simples, o ventral, o com fenda e o flape

Fowler.

figura 6




7.2 ALETA

È uma seção articulada perto da borda anterior de cada asa. Quando um avião diminui

sua velocidade, as aletas se movem automaticamente para diante, com o fim de aumentar

a curvatura da asa e a sua força de sustentação.

7.3 SLOT

È uma abertura na borda anterior da asa. Ajuda o ar a fluir suavemente sobre a parte

superior da asa, de modo que o avião possa voar com um grande angulo de ataque sem

entrar em estol. O angulo maior aumenta a sustentação.

7.4 SLAT

Têm a mesma função que os flapes (isto é, alterar temporariamente o formato da asa

para aumentar a sustentação), mas eles são presos na frente da asa, em vez de atrás.

Eles também são utilizados na decolagem e na aterrissagem.




CONCLUSÕES

O presente trabalho concluiu que uma aeronave necessita de forças aerodinâmicas para

fazer um vôo, fatores esses que lhe proporcionam equilíbrio tais quais: empuxo, arrasto,

peso e sustentação. Sabendo utilizar esses fatores usamos os meios para facilitar a

manobrabilidade da aeronave, como os slats, flapes, aletas e slots. Tendo conhecimento

de como é criada uma força aerodinâmica sob a asa e que uma curvatura e deflexão pode

criar mais ou menos sustentação, dependendo do tipo de aerofólio usado, pode facilitar

em um controle operacional estável. O resultado deste estudo demonstra os aspectos

principais e essenciais para um vôo, favorecendo a compreensão do leitor na utilização

correta dos comandos para a operação do mesmo.




REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Homa, Jorge. Aerodinâmica e Teoria de vôo - Forças Aerodinâmicas. Editora ASA. Moro, Leonel. Noções básicas de Aerodinâmica. Editora Lemos. Garret, Almeida. Como funciona a Aerodinâmica. Editora Savage. Castro, Souza. O Funcionamento da Aerodinâmica - A sustentação. Editora ASA. Origem: Aerodinâmica. http://www.sociedadenewtoniana.kit.net. Acesso em 01 Dez de 2008.


http://www.sociedadenewtoniana.kit.net.



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