teoria de voo e aerodinÂmica mÓdulo 2 aula 1 · o ângulo de ataque é muito importante para o...
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5 – VOO RETO E NIVELADO.
Para se voar reto e nivelado em alta velocidade, deverá ser
mantido um ângulo de ataque pequeno, para a aeronave não ganhar altura. A
sustentação (L) deve ser igual ao peso do avião (W) e a tração (T) igual ao
arrasto (D).
Se diminuirmos a velocidade do voo, é preciso aumentar o
ângulo de ataque. A menor velocidade possível em voo horizontal é conseguida
quando o avião voa com o ângulo de ataque crítico, pois o coeficiente de
sustentação é máximo.
Se o ângulo crítico for ultrapassado, inicia-se o estol e a
sustentação diminui rapidamente, porém ainda é possível manter o voo horizontal
desde que a velocidade possa ser aumentada para compensar a redução de
sustentação. Mesmo assim, pequeno aumento no ângulo de ataque, além do
crítico, vai exigir enormes aumentos de potência, pois o arrasto adicional é
aumentado em grandes proporções e deverá ser compensado com potência. Por
isso, somente aeronaves com grande excesso de potência poderão manter a
altura após a ocorrência do estol.
O ângulo de ataque é muito importante para o voo, principalmente
quando se quer evitar o estol. Como saber quando se está próximo ao estol, já
que nem toda a aeronave tem indicador de ângulo de ataque? O velocímetro é
suficiente para manter a aeronave em condições normais de voo. Se o avião
estiver próximo a velocidade de estol indicada pelo fabricante (que são as cores
indicadas no velocímetro), a asa estará automaticamente próxima ao ângulo de
ataque crítico. Portanto, o velocímetro alerta quanto ao risco de estol.
A velocidade de estol varia conforme o peso; portanto, quando o
peso aumenta a velocidade de estol também aumenta.
O arrasto (D) não depende da altitude num voo horizontal. Veja
só: uma aeronave voando rente ao mar não necessita de muita velocidade, pois o
ar é mais denso, o que possibilita obter facilmente sustentação necessária ao
voo.
Já a aeronave que voa em altitude encontra o ar mais rarefeito. O arrasto,
aparentemente, poderia ser menor, consequentemente sustentação também é
menor e para manter o voo, o piloto deverá aplicar mais potência. A velocidade
aumenta e torna-se possível manter o voo. Com a aeronave voando mais
rapidamente, a sustentação também aumenta, o que causa também um aumento
no arrasto, igualando-se ao arrasto da aeronave que voa próximo ao mar.
5.1.1 – VELOCIDADES DE VOO. Velocidade Máxima – é a maior velocidade possível em voo horizontal. Velocidade de Máximo Alcance – é a velocidade que permite voar a maior distância
possível com dada quantidade de combustível.
Velocidade de Máxima Autonomia – é a velocidade que permite voar o máximo
tempo possível com dada quantidade de combustível. É a velocidade utilizada,
geralmente, para esperas sobre aeroportos.
Velocidade Mínima – é a menor velocidade para a qual é possível voar com
velocidade constante. O ângulo de ataque é maior que o crítico, e a velocidade é
maior que a de estol.
Velocidade de Estol – é a menor velocidade possível em voo horizontal. A aeronave
voa no ângulo de ataque crítico, e o coeficiente de sustentação é o máximo. Usando
dispositivos hipersustentadores, a velocidade de estol torna-se menor.
5.2 - O ARRASTO NAO VARIA COM A ALTITUDE NUM VOO HORIZONTAL
A afirmação acima parece contraditória, pois o arrasto deveria diminuir com a
altitude, devido ao ar menos denso.
Na verdade, não há contradição, Numa altitude maior, a densidade é de fato
menor, o que resultaria em arrasto também menor. Porém devemos lembrar que a
sustentação também seria menor, impossibilitando o voo horizontal. Isso significa que é
necessário aumentar a potência do motor, para que a velocidade da aeronave aumente
e a sustentação volte ao valor anterior – mas o arrasto, também, voltará ao valor
anterior.
5.3 – FATORES QUE AFETAM A VELOCIDADE E A POTÊNCIA
A velocidade e a potência necessária ao voo nivelado são expressadas
matematicamente através de equações, que não serão estudadas, mas indicaremos
quais são os fatores que afetam a velocidade e a potência e de que maneira elas
afetam.
𝑽𝑽 = � 𝟐𝟐𝟐𝟐𝑷𝑷𝑷𝑷𝑪𝑪𝑳𝑳
𝑷𝑷𝑵𝑵 = �𝟐𝟐𝑾𝑾𝟑𝟑𝑪𝑪𝑫𝑫𝟐𝟐
𝑷𝑷𝑷𝑷𝑪𝑪𝑳𝑳𝟑𝟑
5.4 – FATORES QUE AFETAM A VELOCIDADE DE VOO HORIZONTAL
Seis fatores afetam a velocidade: o Peso, a Altitude, a Carga alar (que é o peso
dividido pela área da asa), a Densidade, a Área da asa e o coeficiente de sustentação.
Observe estes fatores planificados em uma barra horizontal que nos ajudará a entender
melhor as questões sobre a velocidade de voo horizontal, incluindo as velocidades de
estol, de máximo alcance e de máxima autonomia. São velocidades que não dependem
do grupo motopropulsor.
5.4.1 – Barra Horizontal – solução de questões
a) O que acontecerá com a velocidade de voo horizontal se a densidade diminuir?
Se a densidade diminuir, a barra da velocidade horizontal se inclinará para a direita,
mostrando que a velocidade do avião deverá ser aumentada para manter o voo
horizontal.
b) Se o peso do avião e a densidade do ar aumentarem, a velocidade deverá:
Aumentar? Diminuir? Permanecer constante? Todas as alternativas?
Nesta questão a barra fica “indecisa” porque o peso e a densidade tentam incliná-la para
lados diferentes. Não sabemos qual dos dois predominará, portanto a melhor resposta
será: todas as alternativas.
5.5 – FATORES QUE AFETAM A POTÊNCIA NECESSÁRIA
Existem sete fatores que afetam a potência necessária – são os mesmos seis fatores já
estudados, acrescidos de mais um: o Coeficiente de Arrasto. A Barra de Potência
Necessária terá o seguinte aspecto:
5.5.1 – Potência necessária – solução de questões
a) Se o avião for modificado para reduzir o seu arrasto e aumentar a área da asa, ele
passará a necessitar:
Mais potência? Menos potência? A mesma potência? Impossível concluir!
A redução do arrasto e o aumento da área da asa fará a Barra da Potência pender para
a esquerda, diminuindo a potência necessária ao voo. A resposta correta será a que
informa que é impossível calcular.
5.5 – FATORES QUE AFETAM A VELOCIDADE MÁXIMA
As velocidades máximas e mínimas não obedecem a Barra da Velocidade geral,
porque dependem da potência máxima do grupo motopropulsor. São velocidades que
não apresentam interesse para o Piloto Privado. Veja a barra especial para velocidade
máxima.
a) A velocidade máxima aumentará se diminuirmos qual destes fatores:
Peso? Altitude? Coeficiente de arrasto? Qualquer dos anteriores!
Na Barra de Velocidade Máxima todos os itens mencionados acima estão incluídos
entre os “outros fatores”. Portanto a velocidade máxima aumentará se qualquer um
deles
diminuir.
6– VOO PLANADO
Uma aeronave em voo descendente com ângulo de 30°, em
marcha lenta. O movimento não é causado pelo seu motor, mas pela ação da
força da gravidade. Esse tipo de voo é chamado de planado. A figura abaixo
mostra uma aeronave que pesa 1000 kgf, num voo planado. O aeroplano é
impulsionado por uma força de 500 kgf, resultante da gravidade. A sustentação é
igual a 866 kgf (não 1000 kgf), portanto menor que o peso. O ângulo ɵ (letra
grega “téta”) formado pela trajetória do voo e a linha do horizonte é chamado de
ângulo de planeio.
A aeronave estabiliza-se quando atinge a velocidade em que o
arrasto torna-se igual a 500 kgf. A componente de peso, 866 kgf, é anulada pela
sustentação.
6.1 - VELOCIDADE DE MELHOR PLANEIO.
Essa também é a Velocidade de Menor Ângulo de Descida. É a
velocidade que possibilita a aeronave planar a maior distância possível. É a
velocidade usada para pouso sem motor (em marcha lenta) e, também, quando a
pane de motor. Essa velocidade é coincidente com a Velocidade de Máximo
Alcance.
Na tentativa de melhorar o planeio, o piloto pode aumentar o
ângulo de ataque. De nada adianta, pois a aeronave permanecerá mais tempo
planando, porém, a distância percorrida será menor. Há uma velocidade chamada
Velocidade de Menor Razão de Descida, na qual o avião permanece o máximo
tempo em planeio. Essa velocidade é coincidente com a Velocidade de Máxima
Autonomia.
O piloto tentando melhorar seu planeio, poderia usar um ângulo
de ataque menor e aumentar sua velocidade. Isso, ainda, será inútil porque,
embora a velocidade do planeio seja de fato maior, o ângulo de planeio também
será.
6.2 - VELOCIDADE FINAL.
A velocidade final é a máxima velocidade
que uma aeronave pode atingir num mergulho vertical. A
sustentação é nula, pois a trajetória é vertical. O ângulo de
ataque será o ângulo de sustentação nula. A velocidade
aumentará rapidamente e se estabilizará quando o arrasto
tornar-se igual ao peso (velocidade final). O piloto só deve
permitir que isso aconteça se não atingir antes a
Velocidade Limite, que é especificada pelo fabricante. Essa
velocidade (velocidade limite), nunca deve ser excedida,
pois se ultrapassada a aeronave sofrerá danos e até
destruição da estrutura.
6.3 – RAZÃO DE DESCIDA.
Razão de descida é a altura perdida por
unidade tempo. Ela é medida no instrumento chamado
variômetro ou “Climb”. Ela é expressa em pés pó minuto
(ft/min.), ou metros por segundo (m/s), sua abreviatura é
conhecida por R/D.
6.4 – INFLUÊNCIA DO PESO.
O peso da aeronave não influi na distância e no ângulo de
planeio, mas aumenta a sua velocidade e a razão de descida.
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6.5 – INFLUÊNCIA DO VENTO.
O vento influencia na distância e ângulo de planeio. Observe: o
vento de cauda aumenta a distância de planeio e diminui o ângulo de planeio. Já
no vento de proa acontece o oposto, é aumentado o ângulo de planeio e diminui a
distância de voo planado. Não há alteração na velocidade aerodinâmica e na
razão de descida, pois ambas são medidas em relação ao ar.
6.6 – INFLUÊNCIA DA ALTITUDE. Devido à densidade do ar em altitude ser menor, uma aeronave
plana muito mais rápido. Porém, a velocidade indicada não varia com a altitude.
Apesar da aeronave mais alta estar planando
mais rapidamente, a densidade do ar naquela altitude é menor; por isso, a
pressão dinâmica captada pelo tubo de Pitot é a mesma de uma aeronave em
baixa altitude. Então pode-se dizer que a aeronave em voo em maior altitude tem
VA maior, mas VI igual à do avião mais baixo.
O ângulo de planeio é o mesmo para as duas aeronaves e devido
isto, a distância de planeio também será a mesma.
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7 – VOO ASCENDENTE (SUBIDA)
Como se vê na figura acima, a sustentação (L) está perpendicular
ao vento relativo e, portanto, não suporta inteiramente o peso do avião. O peso
(W) é perpendicular à superfície da Terra, decompõe-se nos vetores 5 e 6.
Portanto, a força que irá sustentar o avião será o vetor R, resultante da
sustentação e da tração.
Uma aeronave de 100 kgf efetua um voo ascendente. O primeiro
fato a chamar a atenção é o valor da sustentação: 866 kgf, menor que o peso.
Embora isso pareça inicialmente estranho, poderá ser compreendido se observar
que a força de tração da hélice é inclinada para cima, ou seja, ela suporta
parcialmente o peso do avião, aliviando a carga sobre a asa. De fato, se o voo
fosse horizontal, a tração da hélice deveria ser apenas 200 kgf; porém, como a
aeronave está subindo, devemos acrescentar a componente do peso no sentido
contrário (500 kgf), o que totaliza 700 kgf.
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A aeronave apresenta duas componentes de velocidade que são:
A razão de subida é medida num instrumento chamado
variômetro, mais conhecido como Climb e a unidade de medida mais utilizada na
aviação é pés por minuto (ft/min.), há instrumentos que também utilizam como
medida a unidade de metros por segundo (m/s).
A subida define-se pelo ângulo formado entre a trajetória da
aeronave e a linha do horizonte.
Velocidade Horizontal VH Razão de subida R/S
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Existem duas velocidades importantes para o voo ascendente:
a) Velocidade de Máxima Razão de Subida:
Que é a velocidade na qual o avião ganha altura o mais
rapidamente possível;
b) Velocidade de Máximo Ângulo de Subida:
Que é a velocidade na qual o avião sobe com o maior ângulo
de subida. Por ser de maior ângulo, sua velocidade de máxima razão de subida é
menor.
Confira abaixo os possíveis casos de voo ascendente:
Logo após a decolagem, dependendo do aeródromo onde se está
operando, a aeronave deve subir com o maior ângulo de subida, para afastar-se
com segurança dos obstáculos do solo. Como mostra o exemplo abaixo:
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Há algumas desvantagens quanto ao uso desse Máximo Ângulo
de Subida. Há um declínio na visão à frente, o motor da aeronave é forçado a um
desgaste e aquecimento maior e, ainda, voa-se muito próximo à velocidade de
estol.
À medida que o avião ganha altura, a densidade do ar atmosférico
diminui. Por esse motivo, a razão de subida máxima diminui gradativamente, até
tornar-se nula no Teto Absoluto.
Teto Prático ou de Serviço – É a altitude onde a razão de subida
máxima é igual a 100 ft/min., ou 0,51 m/s, por convenção.
Teto Absoluto – É a altitude onde a razão de subida máxima é
nula.
O Teto Prático e o Teto Absoluto são altitudes de densidade, e
por isso não podem ser lidos diretamente no altímetro.
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7.1 – ESTUDO DA PERFORMANCE EM SUBIDA.
Para obter a máxima razão de subida, a aeronave deve voar na
velocidade na qual haja a maior sobra de potência.
O gráfico acima mostra que essa velocidade corresponde àquela
em que temos a máxima diferença entre as potências disponível e necessária.
Pode-se observar que para a aeronave voar a 100 mph, precisa de 150 HP para
um voo horizontalmente. Porém, o grupo motopropulsor pode fornecer 350 HP se
for acelerado ao máximo; portanto, há uma reserva de 200 HP, que é a diferença
entre a potência disponível e necessária (350 – 150 = 200). Essa sobra de
potência é máxima à velocidade de 100 mph, por isso pode-se dizer que essa é a
velocidade de máxima razão de subida.
A Razão de Subida Máxima e o Maior Ângulo de Subida
dependem do peso da aeronave, da altitude local, da potência disponível e da
área da asa.
Quando se aumenta a altitude, a potência disponível diminui e a
potência necessária aumenta. Então pode-se dizer que no Teto Absoluto, só
existe uma velocidade em que a aeronave poder manter o voo. Essa velocidade
é, ao mesmo tempo, a Velocidade Máxima, a Velocidade de Máximo Alcance, a
Velocidade de Máxima Autonomia, a Velocidade Mínima e a Velocidade de Estol.
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Para melhor compreensão, o gráfico acima, mostra a situação
quando no Teto Absoluto. Observe que as curvas se tocam na velocidade de 100
mph, onde há o encontro das curvas de potência necessária e disponível. Todas
as velocidades nessa situação são iguais como já citadas anteriormente.