Downwash

Se você já esteve perto de um helicóptero, saberá exatamente como ele fica no céu: cria um enorme “downwash” (corrente de ar para baixo) que equilibra seu peso. Os rotores dos helicópteros são muito semelhantes aos aerofólios de aviões, mas giram em círculo em vez de avançar em linha reta, como os de um avião. Mesmo assim, os aviões criam downwash exatamente da mesma maneira que os helicópteros – só que não percebemos. O downwash não é tão óbvio, mas é tão importante quanto com um helicóptero.

Este segundo aspecto de fazer a sustentação é muito mais fácil de entender do que diferenças de pressão, pelo menos para um físico : de acordo com a terceira lei do movimento de Isaac Newton, se o ar dá uma força para cima a um avião, o avião deve dar uma força para baixo (igual e oposta) ao ar. Portanto, um avião também gera sustentação usando suas asas para empurrar o ar para baixo atrás dele. Isso acontece porque as asas não são perfeitamente horizontais, como você pode supor, mas inclinadas ligeiramente para trás, de modo que atingem o ar em um ângulo de ataque. As asas anguladas empurram para baixo tanto o fluxo de ar acelerado (vindo de cima) quanto o fluxo de ar mais lento (abaixo delas), e isso produz sustentação. Como o topo curvo do aerofólio desvia (empurra para baixo) mais ar do que o fundo mais reto (em outras palavras, altera o caminho do ar que entra de forma muito mais dramática), ele produz significativamente mais sustentação.

Como as asas do aerofólio geram sustentação # 2: A forma curva de uma asa cria uma área de baixa pressão acima dela (vermelha), que gera sustentação. A baixa pressão faz o ar acelerar sobre a asa, e a forma curva da asa (e a pressão do ar mais alta bem acima da corrente de ar alterada) força esse ar em um poderoso downwash, também empurrando o avião para cima. Esta animação mostra como diferentes ângulos de ataque (o ângulo entre a asa e o ar que entra) mudam a região de baixa pressão acima de uma asa e a sustentação que ela realiza. Quando uma asa é plana, sua superfície superior curva cria uma região modesta de baixa pressão e uma quantidade modesta de sustentação (vermelho). À medida que o ângulo de ataque aumenta, a sustentação também aumenta dramaticamente – até certo ponto, quando o aumento do arrasto faz o avião estolar (veja abaixo). Se inclinarmos a asa para baixo, produzimos menor pressão por baixo dela, fazendo o avião cair. Baseado em Aerodinâmica, um filme de treinamento de domínio público do Departamento de Guerra de 1941.

Você pode estar se perguntando por que o ar flui atrás de uma asa. Por que, por exemplo, ele não atinge a frente da asa, se curva sobre o topo e, em seguida, continua horizontalmente? Por que há um downwash em vez de simplesmente um “backwash” horizontal? Pense em nossa discussão anterior sobre pressão: uma asa diminui a pressão do ar imediatamente acima dela. Mais acima, bem acima do avião, o ar ainda está em sua pressão normal, que é mais alta do que o ar imediatamente acima da asa. Portanto, o ar de pressão normal bem acima da asa empurra para baixo no ar de baixa pressão imediatamente acima dela, efetivamente “esguichando” o ar para baixo e atrás da asa em um backwash. Em outras palavras, a diferença de pressão que uma asa cria e o downwash de ar atrás dela não são duas coisas separadas, mas todas parte integrante do mesmo efeito: uma asa de aerofólio em ângulo cria uma diferença de pressão que faz um downwash, e isso produz sustentação.

Agora podemos ver que as asas são dispositivos projetados para empurrar o ar para baixo, é fácil de entender porque aviões com asas planas ou simétricas (ou para cima aviões de acrobacias ide-down) ainda podem voar com segurança. Enquanto as asas estiverem criando um fluxo de ar para baixo, o avião experimentará uma força igual e oposta – sustentação – que o manterá no ar. Em outras palavras, o piloto de cabeça para baixo cria um ângulo de ataque específico que gera baixa pressão suficiente acima da asa para manter o avião no ar.

Quanta sustentação você consegue fazer?

Geralmente, o ar que flui sobre a parte superior e inferior de uma asa segue a curva das superfícies da asa muito de perto – da mesma forma que você faria se estivesse traçando seu contorno com uma caneta. Mas à medida que o ângulo de ataque aumenta, o fluxo de ar suave atrás da asa começa a quebrar e se tornar mais turbulento e isso reduz a sustentação. Em um certo ângulo (geralmente em torno de 15 °, embora varie), o ar não flui mais suavemente ao redor da asa. Há um grande aumento no arrasto, uma grande redução na sustentação e diz-se que o avião estagnou. Esse é um termo um pouco confuso porque os motores continuam funcionando e o avião continua voando; estol significa simplesmente uma perda de sustentação.

Foto: Como um avião perde força: aqui está uma asa de aerofólio ao vento túnel voltado para o ar que se aproxima em um ângulo de ataque acentuado. Você pode ver linhas de ar cheio de fumaça se aproximando da direita e se desviando ao redor da asa conforme se movem para a esquerda.Normalmente, as linhas de fluxo de ar seguiriam muito de perto a forma (perfil) da asa. Aqui, por causa do ângulo de ataque acentuado, o fluxo de ar se separou atrás da asa e a turbulência e o arrasto aumentaram significativamente. Um avião voando assim experimentaria uma perda repentina de sustentação, que chamamos de “estol”. Foto cedida pelo NASA Langley Research Center.

Os aviões podem voar sem asas em forma de aerofólio; você saberá disso se já fez um avião de papel – e foi provado em 17 de dezembro de 1903 pelos irmãos Wright. Em sua patente original “Flying Machine” (patente norte-americana nº 821393), é claro que asas ligeiramente inclinadas (que eles chamam de “aviões”) são as partes principais de sua invenção. Seus “aviões” eram simplesmente pedaços de tecido esticados sobre uma estrutura de madeira; eles não tinham perfil de aerofólio (aerofólio). Os Wrights perceberam que o ângulo de ataque é crucial: “Em máquinas voadoras do tipo ao qual esta invenção se refere, o aparelho é sustentado no ar por causa do contato entre o ar e a superfície de um ou mais aviões, o contato -superfície sendo apresentada com um pequeno ângulo de incidência para o ar. ” . Embora os Wrights fossem cientistas experimentais brilhantes, é importante lembrar que eles não tinham nosso conhecimento moderno de aerodinâmica e uma compreensão completa de como exatamente as asas funcionam.

Não é de surpreender que quanto maiores as asas, mais força de sustentação eles criam: dobrar a área de uma asa (essa é a área plana que você vê olhando de cima) dobra a sustentação e o arrasto que ela causa. É por isso que aviões gigantes (como o C-17 Globemaster em nossa foto superior) têm asas gigantescas. Mas asas pequenas também podem produzir uma grande quantidade de sustentação se se moverem rápido o suficiente. Para produzir sustentação extra na decolagem, os aviões têm flaps em seus asas que eles podem estender para empurrar mais ar para baixo. A sustentação e o arrasto variam com o quadrado da sua velocidade, então se um avião for duas vezes mais rápido em relação ao ar que se aproxima, suas asas produzirão quatro vezes mais sustentação (e arrasto). Helicópteros produzem uma grande quantidade de sustentação girando suas pás do rotor (essencialmente asas finas que giram em um círculo) muito rapidamente.

Vórtices de asa

Agora, um avião não joga ar para trás de uma forma completamente limpa. (Você pode imaginar, por exemplo, alguém empurrando uma grande caixa de ar para fora da porta dos fundos de um transportador militar para que ela caia. Mas não funciona bem assim!) Cada asa realmente envia ar para baixo, criando um vórtice girando (uma espécie de minifuracão) imediatamente atrás dele. É “um pouco como quando você está em uma plataforma em uma estação ferroviária e um trem de alta velocidade passa correndo sem parar, deixando o que parece ser um enorme vácuo sugando sua esteira. Com um avião, o vórtice tem uma forma bastante complexa e a maior parte dele está se movendo para baixo, mas não todos. Há uma enorme corrente de ar descendo no centro, mas um pouco de ar na verdade gira para cima em cada lado das pontas das asas , reduzindo a sustentação.

Foto: Leis de Newton fazem os aviões voarem: um avião gera uma força ascendente (sustentação) ao empurrar o ar para baixo em direção ao solo. Como mostram essas fotos, o ar se move para baixo não em um fluxo limpo e organizado, mas em um vórtice. Entre outras coisas, o vórtice afeta o quão perto um avião pode voar atrás de outro e é particularmente importante perto de aeroportos onde há muitos aviões se movendo o tempo todo, criando padrões complexos de turbulência no ar. Esquerda: A fumaça colorida mostra os vórtices das asas produzidos por um avião real. A fumaça no centro está se movendo para baixo, mas está subindo além das pontas das asas. À direita: como o vórtice aparece por baixo. A fumaça branca mostra o mesmo efeito em uma escala menor em um teste de túnel de vento. Ambas fotos cortesia da NASA Langley Research Centro.