As quatro forças
exercidas no avião em vôo
Peso
O
peso é uma força que é sempre dirigida para o centro da terra:
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.
Sustentação
Para
fazer um avião voar, deve ser gerada uma força para compensar o
peso. Esta força é chamada sustentação e é gerada pelo movimento
do avião através do ar. A sustentação é uma força aerodinâmica
("aero"
significa ar, e " dinâmica"
significa movimento). A sustentação é perpendicular
(em ângulo reto) ao sentido do vôo. Tal como acontece com o peso,
cada parte do avião contribui para uma única força de sustentação.
Mas a maior parte da sustentação do avião é gerada pelas asas. A
sustentação do avião funciona como se atuasse num único ponto,
chamado centro de pressão.
O centro de pressão é definido tal como o centro de gravidade, mas
usando a distribuição da pressão em torno de toda a aeronave, em
lugar da distribuição do peso.
Arrasto
À
medida que o avião se move através do ar, há uma outra força
aerodinâmica presente. O ar resiste ao movimento do avião, e esta
força de resistência é denominada arrasto.
Tal como a sustentação, há muitos fatores que afetam a magnitude da
força de arrasto, incluindo:
·
a forma do avião
·
a " viscosidade " do ar
·
a velocidade
E
tal como acontece com a sustentação, considera-se usualmente todos
os componentes individuais como se estivessem agregados num único
valor de arrasto de todo o avião. O sentido da força de arrasto é
sempre oposto ao sentido do vôo, e o arrasto atua através do centro
de pressão.
Quando
um avião aumenta o ângulo de ataque, aumenta também a sustentação;
mas aumenta igualmente o arrasto. Um avião que vá aumentando
gradualmente o ângulo de ataque acaba por atingir um ponto em que a
sustentação não consegue contrariar o efeito resultante das outras
forças e entra em perda. É por este fato que, na fase de descolagem
de um aeromodelo, não se deve fazê-lo subir em ângulo muito
acentuado.
Impulso
Para
superar o arrasto, a maioria de aviões tem algum tipo de propulsão
para gerar uma força chamada impulso. O valor do impulso depende de
muitos fatores associados com o sistema de propulsão:
·
o tipo de motor
·
o número de motores
·
o ajuste da aceleração
·
a velocidade
O
sentido da força de impulso depende de como os motores estão
colocados no avião. Na figura mostrada acima, dois motores a jacto
estão posicionados sob as asas, paralelos à fuselagem, com a força
atuando ao longo da linha central da aeronave. Em alguns aviões (tal
como o Harrier) o sentido do impulso pode ser orientado para ajudar o
avião a descolar numa distância muito curta. Para os motores de
jacto, pode parecer confuso considerar que a pressão do avião é uma
reação ao gás quente que se escapa da turbina. O gás quente é
expelido pela parte traseira, originando uma força de reação em
sentido contrário: o impulso. Esta ação-reação é explicada pela terceira
lei do movimento formulada por Newton.
Os
motores mais conhecidos são os motores de explosão e os motores a
jacto. Mas também se utilizam motores elétricos e motores de
foguete. Os motores elétricos e de explosão atuam usualmente por
intermédio de hélices. Os motores a jacto e de foguete atuam pela
força da reação.
Um
planador é um tipo especial de avião que não tem nenhum motor.
Alguma fonte externa da potência tem que ser aplicada para iniciar o
movimento. Os aviões de papel são um exemplo óbvio, mas há muitos
outros tipos de planadores. Alguns planadores são pilotados e
rebocados para o alto por um outro avião, e a seguir são deixados
livres para deslizar em distâncias longas antes de aterrar. Uma vez
no alto, a energia cinética
é responsável pelo impulso, mas ela vai-se perdendo à medida que o
planador perde altitude. No entanto os planadores recorrem também a
uma outra fonte de energia disponibilizada pela natureza: as correntes
de ar ascendente
Durante
a reentrada e a aterragem, o vaivém Espacial (Space Shuttle) funciona
como um planador; os motores de foguete são usados apenas para levar
o vaivém para o espaço.
O
movimento do avião através do ar depende da intensidade e do sentido
relativos das forças referidas acima. Se as forças estiverem
equilibradas, o avião desloca-se a uma velocidade constante. Se as
forças estiverem desequilibradas, o avião acelera no sentido da força
maior.
Um
avião parado no ar não gera impulso, nem arrasto, nem sustentação,
e por isso "cai como uma pedra", movido pela única força
que resta: o peso. Só a partir de uma certa velocidade é que a
sustentação gerada é suficiente para contrariar o peso. Essa
velocidade denomina-se velocidade
de perda, pois abaixo dela o peso supera a sustentação e o avião
"entra em perda" e cai. A velocidade de perda varia de avião
para avião, sendo mais baixa para aviões do tipo "Piper
Cub" e mais alta para aeronaves do tipo dos modernos "caças"
a jacto.
A
velocidade de perda pode ser diminuída com a extensão dos
"flaps", cujo efeito é modificarem o perfil das asas e
consequentemente aumentarem a sustentação. Com uma maior sustentação
gerada pelas asas o avião pode, por exemplo, aterrar a uma velocidade
mais baixa. No entanto a utilização dos flaps também faz aumentar o
arrasto pelo que, com o mesmo impulso, o avião avança mais devagar.
É por esta razão que os aviões equipados com flaps os utilizam para
descolar e aterrar, mas recolhem-nos para o vôo de cruzeiro.
A
velocidade que interessa para a sustentação é a velocidade
relativa ao ar e não a relativa ao solo. Quando existe vento (ou
seja, deslocação do ar num determinado sentido) e o avião se
movimenta em sentido contrário (contra o vento) a "velocidade
relativa ao ar" resulta da soma da "velocidade relativa ao
solo" com a velocidade do vento. Quando o avião se desloca no
mesmo sentido do vento, a "velocidade relativa ao ar"
resulta de se subtrair a velocidade do vento à "velocidade
relativa ao solo" . É por esta razão que os aviões, sempre que
possível, descolam e aterram contra o vento: a sua velocidade
relativa ao ar é sempre maior do que a velocidade relativa ao solo.
Este
aspecto deve ser tido em conta pelo aeromodelista: quando o seu modelo
voa contra o vento, a velocidade que gera sustentação é sempre
maior do que aparenta à sua percepção. Pelo contrário, quando o
modelo voa com vento pelas costas, a velocidade que gera sustentação
é sempre menor do que aparenta: empurrado pelo vento, o modelo parece
deslocar-se a grande velocidade e no entanto pode cair por falta de
sustentação.
Quando
um avião vem a fazer uma aterragem contra o vento e o vento diminui
ou pára subitamente, o avião pode perder sustentação ao ponto de
cair. Recorde-se que a velocidade que gera sustentação depende também
da velocidade do vento. Por vezes os aeromodelistas estranham que o
seu modelo, que vinha a aterrar tão suavemente, rodopie sobre uma asa
e caia: trata-se de uma notória perda de sustentação, e não do
efeito de uma "rajada" como por vezes se pensa. Para
contrariar esta hipótese deve-se aterrar (e descolar) sempre com um
pouco mais de velocidade do que seria estritamente necessário
