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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) - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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Tutorial Fly Higher IVA CIÊNCIA DO VOO
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Para que um avião consiga voar são necessárias duas coisas:
1) Tração (T)2) 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:
3) Arrasto (D)4) Peso (W)
AerodinâmicaPrincípios elementares
Representação do equilíbrio de forças
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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:
PesoSustentaçãoTraçãoArrasto
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?
AerodinâmicaRelembrando os conceitos
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As três leis de NewtonRelembrando os conceitos
Sir I saac Newton (1643 – 1727)
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?
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As três leis do Movimentode Newton
Terceira Lei 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.
Motor a jato
Motor empurrado para a frente
Fluxo empurrado para trás
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SUSTENTAÇÃO é a força aerodinâmica perpendicular à direção do fluxo de ar. É a presença da sustentação que sustem um avião no ar.
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.
SUSTENTAÇÃO
ARRASTO
AerodinâmicaSustentação e Arrasto
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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 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.
PESO
TRAÇÃO
AerodinâmicaTração e Peso
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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:a) O avião está parado sem se
movimentar no chão.b) O avião está a movimentar-se na
pista, em taxying, sem levantar voo.O diagrama de forças
AerodinâmicaAs bases
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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
AerodinâmicaA sustentação
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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!
PRESSÃO BAIXA
PRESSÃO ALTA
AerodinâmicaA sustentação
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Os motores que nos empurram para a
frente!
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.
AerodinâmicaE o que dizer relativamente ao ARRASTO?
Arrasto
SUSTENTAÇÃOFORÇA RESULTANTE
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A forma e o tamanho da asa são muito importantes! A forma mais básica é chamada de PERFIL ALAR.
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.
A forma da asaO perfil alar
Linha média
Espessura
Acorde
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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 sustentaçãop = densidade do arS = área da superfície da asav = velocidade da aeronaveL = força de sustentação (Lift)
L = ½ ρ V2S CL
O Coeficiente de Sustentação
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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.
AerodinâmicaOutros fatores
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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.
AerodinâmicaOutros fatores
Fibras de carbono
Camadas de carbono
Fibras de vidro
Alumínio
Pilares de Alumínio/aço/titânio
OutrosAço
Titânio
Alumínio
Compósitos
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AerodinâmicaDensidade 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 = 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?
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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.
FLUXO DE AR
16˚10˚6˚
AerodinâmicaDe que outra forma podemos aumentar a SUSTENTAÇÃO?
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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?
AerodinâmicaAumentar a SUSTENTAÇÃO
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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 ?
AerodinâmicaÂngulo de Ataque
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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…
AerodinâmicaÂngulo de Ataque
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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.
AerodinâmicaAumentar o ARRASTO
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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?
AerodinâmicaDemasiado ARRASTO?
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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?
AerodinâmicaTudo na Conceção
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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?
AerodinâmicaTudo na Conceção
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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.
AerodinâmicaManobrar o Avião
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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.
AerodinâmicaManobrar o Avião
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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
Que parte do avião se move, que eixo do avião?
AerodinâmicaManobrar o Avião
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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.
Talvez no futuro possas vir a ser um engenheiro de Aeronáutica!
E finalmente...
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