Los aviones vuelan gracias a una combinación de principios físicos que actúan sobre ellos, los cuales permiten generar la fuerza necesaria para mantenerse en el aire y desplazarse.
Los más importantes son la aerodinámica, la fuerza de sustentación, la propulsión y el control de vuelo. A continuación, se explicarán estos conceptos en detalle, así como la historia y evolución del vuelo, hasta llegar a los aviones modernos.
Principios físicos del vuelo
1. Sustentabilidade
A força de sustentação é a chave do voo dos aviões e é gerada principalmente por eles.
Para entender como isso ocorre, é necessário compreender alguns princípios básicos da aerodinâmica, como o princípio de Bernoulli e a terceira lei de Newton.
Principio de Bernoulli
Este principio establece que a mayor velocidad de un fluido, menor será su presión.
No caso de um avião, o “fluido” é o ar. As asas de um avião têm um formato particular, denominado aerofólio, que é curvado na parte superior e mais achatado na parte inferior. Quando o avião avança, o ar flui por cima e por baixo das asas. Devido ao formato do perfil da asa, o ar que passa pela parte superior da asa tem que percorrer uma distância maior no mesmo tempo que o ar que passa pela parte inferior, fazendo com que o ar por cima se mova mais rapidamente.
Según el principio de Bernoulli, al moverse más rápido, la presión sobre la parte superior del ala es menor que en la parte inferior. Esta diferencia de presiones genera una fuerza hacia arriba, conocida como sustentación, que levanta el avión.
Ley de Newton
Además del principio de Bernoulli, la tercera ley de Newton, que establece que "para cada acción hay una reacción de igual magnitud y en sentido contrario", también juega un papel importante en la generación de sustentación.
O fluxo de ar que é desviado para baixo ao passar sobre a asa gera uma força de reação ascendente, que também contribui para a sustentação da aeronave.
2. Propulsão
O próximo componente chave no voo de uma aeronave é a propulsão, que é a força que impulsiona o avião para frente. Essa força é produzida pelos motores do avião, que podem ser motores a jato (na maioria dos aviões comerciais) ou hélices (em aviões menores ou mais antigos).
A propulsão é o que permite ao avião manter velocidade suficiente para que as asas gerem sustentação.
No caso dos motores de reação, eles funcionam ejetando gases em alta velocidade para trás.
De acordo com a terceira lei de Newton, a reação a esta ejeção é uma força que empurra o avião para frente. No caso das hélices, elas giram rapidamente e empurram o ar para trás, gerando uma força de avanço que move o avião para frente.
3. Resistência e peso
Existem duas forças adicionais que devem ser neutralizadas para que um avião voe: arrasto e peso.
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Resistência: É a força que se opõe ao movimento do avião através do ar. É produzido devido à rotação do avião com as moléculas de ar, o que gera uma fricção que tende a ralentizar o avião. Os projetistas de aviões trabalham para reduzir a resistência aerodinâmica, dando-lhes formas suaves e otimizadas.
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Peso: O peso do avião, que é a força que atua para baixo devido à gravidade, deve ser contrabalançado pela força de sustentação para que o avião não caia. A sustentação deve ser maior que o peso para o avião subir e deve ser igual para manter um vôo estável.
4. Controle de vôo
Para controlar la dirección y estabilidad del avión en el aire, se utilizan diferentes superficies de control ubicadas principalmente en las alas y la cola del avión. Estas superficies son:
- Alerones: Ubicados en las alas, permitem que o avião gire sobre seu eixo longitudinal, inclinando-se para um lado ou outro (este se conhece como "alabeo").
- Leme: Localizado na parte vertical da cauda, permite controlar a rotação do avião em seu eixo vertical (movimento conhecido como “yaw”).
- Elevadores: Localizados na parte horizontal da cauda, permitem controlar a inclinação do avião em seu eixo lateral, ou seja, fazem o avião subir ou descer (movimento denominado “pitch”).
5. Velocidade e altitude
A velocidade do avião é crucial para que a sustentação ocorra. Em baixas velocidades, a quantidade de ar que passa pelas asas não é suficiente para gerar a sustentação necessária, e o avião pode perder altitude ou até mesmo entrar em situação de estol (quando o fluxo de ar sobre a asa se separa de sua superfície e a asa para). gerando sustentação).
Por esse motivo, os aviões precisam atingir uma velocidade mínima para decolar e permanecer no ar. Uma vez em voo, devem manter uma velocidade adequada dependendo da altitude e das condições de voo.
Em relação à altitude, à medida que o avião sobe, a densidade do ar diminui, o que pode afetar tanto a sustentação quanto a eficiência do motor. As aeronaves são projetadas para voar em altitudes onde o ar é menos denso, reduzindo o arrasto aerodinâmico e permitindo um voo mais eficiente. No entanto, os pilotos devem levar em conta as condições atmosféricas e ajustar a velocidade e o ângulo de ataque (a inclinação da asa em relação ao fluxo de ar) para manter o vôo estável.
Comparação com voo de helicóptero
Aviões e helicópteros voam usando princípios aerodinâmicos semelhantes, mas existem diferenças importantes na forma como eles geram sustentação e são controlados no ar.
Geração de sustentabilidade
- Aviões : Geram sustentação através de suas asas fixas. Para voar, eles devem avançar, o que permite que o ar flua sobre as asas e crie uma diferença de pressão que os mantém no ar.
- Helicópteros : Geram sustentação através de seus rotores , que funcionam como asas rotativas. O rotor principal do helicóptero gira rapidamente e move o ar para baixo, o que cria uma força de reação para cima, permitindo a decolagem e o vôo vertical sem a necessidade de movimento para frente.
Propulsão
- Aviões : utilizam motores a jato ou hélices para gerar uma força de impulso para a frente, necessária para que o ar flua sobre as asas e produza sustentação.
- Helicópteros : Não precisam avançar para voar. O rotor principal não só fornece sustentação, mas também empuxo, permitindo que o helicóptero se mova em qualquer direção (para frente, para trás e lateralmente).
Controlar
- Aviões : Utilizam ailerons, leme e elevadores para controlar o vôo. Eles permitem que você vire e suba ou desça, mas sempre precisam avançar.
- Helicópteros : Controlam o voo ajustando o ângulo dos rotores (cíclicos e coletivos) e utilizando o rotor de cauda para controlar a guinada, permitindo-lhes decolar e pousar verticalmente, e permanecer em um ponto fixo no ar (pairar"). .
Comparação com o vôo de um balão de ar quente
O voo de um avião e o de um balão de ar quente baseiam-se em princípios completamente diferentes em termos de geração de sustentação, propulsão e controle.
Geração de sustentabilidade
- Aviões : Geram sustentação através de suas asas fixas. Para que o avião voe, ele precisa avançar, permitindo que o ar passe pelas asas e crie uma diferença de pressão que o mantenha no ar.
- Globos aerostáticos : Não geram sustentação através do movimento ou infelizmente. Em vez disso, funciona com base no princípio de flutuabilidade ou princípio de Arquimedes , que estabelece que um objeto sumergido em um fluido (neste caso, o ar) experimenta uma força para cima igual ao peso do fluido desplazado. O ar quente dentro do globo é menos denso que o ar frio que o rodeia, o que faz com que o globo flutue para cima.
Propulsão
- Aviões : utilizam motores (de reação ou hélices) para gerar impulso para frente, o que permite avançar e gerar a sustentação necessária para o voo.
- Balões de ar quente : Não possuem sistema de propulsão ativo. O balão simplesmente flutua com as correntes de ar, sendo incapaz de se mover intencionalmente em uma direção específica. Ele só sobe ou desce aquecendo ou resfriando o ar interno.
Controlar
- Aviões : Utilizam superfícies de controle (alerones, timões, elevadores) para manobrar no ar. Os pilotos têm controle sobre a direção, a altitude e a velocidade.
- Balões de ar quente : O controle é muito mais limitado. Os pilotos podem controlar apenas a altitude ajustando a quantidade de calor no balão, mas a direção depende das correntes do vento, já que o balão não tem controle direto sobre seu deslocamento horizontal.
Evolução do voo humano
Os pioneiros do voo
A ideia do voo fascinou a humanidade desde tempos antigos. No entanto, não foi até o final do século XIX e princípios do século XX que se logrou o primeiro voo controlado e sustentado.
Os irmãos Wright, Orville e Wilbur, lograram isso em 17 de dezembro de 1903, com seu avião Flyer I. Este avião estava equipado com alas fijas e um motor, e seu sucesso foi o resultado de anos de investigação aerodinâmica, controle de voo e motores leves.
Desenvolvimento de aeronaves comerciais
À medida que a tecnologia avançava, aeronaves maiores e mais eficientes foram projetadas. Durante a Primeira e a Segunda Guerras Mundiais, a aviação militar impulsionou muitos avanços no design de aeronaves, que mais tarde foram transferidos para a aviação comercial.
Os aviões começaram a ser utilizados para transportar passageiros e cargas, e a aviação civil cresceu exponencialmente durante o século XX.
Uno de los hitos más importantes en la aviación comercial fue el desarrollo del Boeing 707 en la década de 1950, uno de los primeros aviones comerciales a reacción. Este avión revolucionó el transporte aéreo al permitir vuelos más rápidos y a mayores distancias, y marcó el inicio de la era de los aviones a reacción.
Aviões modernos
Hoje em dia, os aviões são máquinas altamente sofisticadas, com sistemas avançados de navegação, controle e segurança. Os aviões comerciais modernos, como o Boeing 787 Dreamliner ou o Airbus A350, são projetados para serem extremamente eficientes em termos de consumo de combustível e reduzir as emissões de carbono.
Além disso, as melhorias em materiais compostos e aerodinâmicos permitem que os aviões sejam mais leves, o que reduza o peso e, por isso, o consumo de combustível.
A introdução de tecnologias como motores de alta eficiência e o uso de materiais compósitos leves permitiu que as aeronaves modernas fossem mais silenciosas e econômicas.
A automação também desempenhou um papel fundamental no controle do voo, com sistemas de piloto automático que permitem que os aviões voem trajetórias predeterminadas com o mínimo de intervenção humana.