Hey hey hey flyaway*

Como o avião voa?

Para se responder a essa questão, normalmente reduzimos à questão de como surge a força de sustentação (força direcionada para cima, contrária à força peso sobre o avião) sobre uma asa fixa.

A pergunta então é: como surge a força de sustentação - vertical para cima - sobre uma asa?

Essa força surge a partir do fluxo de ar sobre a asa. Mas não é algo intuitivo, uma vez que o fluxo do ar é horizontal e a força de sustentação é vertical.

Muitos livros didáticos, enciclopédias e sítios web dão como explicação o princípio de Bernoulli. Pelo princípio de Bernoulli (que no fundo é a aplicação do princípio da conservação da energia em um fluido em movimento), um fluido que se desloca em maior velocidade perde pressão (há bem mais detalhes do que isso, na verdade). Isso é demonstrado por uma série de vasos comunicantes ligados entre si por tubos com diferentes diâmetros que fazem com que um fluido flua a diferentes velocidades - onde o fluxo é mais rápido, com a queda de pressão, a altura da coluna nos tubos é reduzida. Nesta imagem é possível ver bem didaticamente o efeito Bernoulli - na região de constrição do tubo, o ar perde a pressão e a coluna do líquido sobe.

Então, se houver diferenças na velocidade do ar que passa pela parte de cima da asa em relação à do ar que passa pela parte de baixo (naturalmente, o fluxo que passa por cima deve ser mais veloz) - uma diferença de pressão será criada e uma força de sustentação surgirá.

A questão então passa a ser - ao menos parte da questão: o que cria a diferença entre as velocidades do fluxo que passa por cima e o que passa por baixo?

Aí é que, muitas vezes, surge o problema nas explicações: um é a implicação direta da diferença de comprimento entre os caminhos (a parte da cima da asa normalmente é curva para cima, o que faz com que, em corte longitudinal, ela seja linearmente mais comprida) e outro é a hipótese do tempo igual de trânsito.

Na figura ao lado, os pontos sobre as linhas representam grupos de moléculas de ar que estão juntas no início do fluxo. Pela hipótese do fluxo em tempo igual de trânsito, ao passarem pela asa, elas emergeriam juntas - como o tempo de fluxo seria igual e como o caminho superior é mais longo, naturalmente, significaria que o fluxo superior teria uma velocidade maior. Mas não é isso o que acontece.

A foto ao lado (tirada de DinosaurTheory.com) é de um teste em túnel de vento. Linhas de fumaça mostram o fluxo do ar. A intervalos regulares, o fluxo de fumaça é aumentado rapida e brevemente, criando "calombos" no fluxo e mostrando pontos de ar liberados ao mesmo tempo. Antes de passar pela asa, os "calombos" estão alinhados. Depois que passam pela asa, ocorre um desalinhamento - o fluxo que passa por cima, de fato flui mais rapidamente do que o fluxo que passa por baixo da asa, mas essa velocidade é muito maior do que a que seria gerada pela diferença de comprimento entre a parte de cima e a parte de baixo da asa, de modo que o ar que corre por cima da asa tem um tempo de trânsito menor do que o ar que corre por baixo.

Então a suposição do tempo igual de trânsito não se sustenta. Com isso, a ideia de que o perfil da asa cria a diferença de velocidade também se mostra incorreta - ao menos como um agente mais direto. De fato, se fosse só por isso, aviões não poderiam voar de cabeça para baixo.

Um fator importante para o vôo é o ângulo de ataque - o ângulo de inclinação da asa em relaçao à horizontal. Dentro de um certo limite, quanto maior o ângulo de ataque, mais o fluxo de ar é desviado para baixo, aumentando a sustentação. Mas se o ângulo passa do limite, o ar atrás da asa sofre um fluxo muito turbulento, aumentando o arrasto (força para trás, contrária ao avanço da aeronave) e fazendo que o avião perca a sustentação. O ângulo de ataque é parte importante do segredo que permite que certas aeronaves voem de cabeça para baixo.

Curiosamente, o modelo matemático para o voo é muito bem resolvido - senão não seriam projetados novas aeronaves (e carros de fórmula 1 - que são projetados para a força aerodinâmica empurrá-lo para baixo e não para cima), especialmente usando-se apenas simulação em computadores -, mas a física por trás disso ainda é bastante debatida. Uma polêmica se instala entre os defensores do modelo explicativo usando Bernoulli (conservação de energia) - especialmente pela diferença de pressão nas superfícies da asa relacionada a seu perfil (cambagem) - e usando Newton (lei da ação e reação) - especialmente relacionadas ao desvio do fluxo do ar para baixo relacionado ao ângulo de ataque. Um terceiro grupo alega que ambas as explicações são válidas e representam a mesma coisa.

Para saber mais, um bom sítio web é o da Nasa sobre aerodinâmica para alunos do fundamental (embora em muitas páginas haja equações que envolvam cálculo diferencial e integral).

Upideite(02/fev/2010): Este vídeo é bem didático em relação aos pontos comentados nesta postagem.



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*Verso da música Flyaway de Joan Osborne (1996 - Early Recordings - Mercury)