Os aviões voam graças a uma combinação de princípios físicos que atuam sobre eles, o que lhes permite gerar a força necessária para permanecer no ar e se mover.
Os mais importantes são aerodinâmica, sustentação, propulsão e controle de voo. Esses conceitos serão explicados em detalhes abaixo, bem como a história e a evolução do voo, levando às aeronaves modernas.
Princípios físicos do voo
1. Suporte
A sustentação é a chave para o voo da aeronave e é gerada principalmente pelas asas.
Para entender como isso ocorre, é necessário entender alguns princípios básicos da aerodinâmica, como o princípio de Bernoulli e a terceira lei de Newton.
Princípio de Bernoulli
Este princípio afirma que quanto maior a velocidade de um fluido, menor sua pressão.
No caso de um avião, o "fluido" é o ar. As asas de um avião têm um formato específico, chamado de aerofólio, que é curvado na parte superior e mais plano na parte inferior. À medida que o avião avança, o ar flui sobre e sob as asas. Devido ao formato do perfil da asa, o ar que passa por cima dela tem que percorrer uma distância maior no mesmo período de tempo que o ar que passa por baixo, fazendo com que o ar que passa por cima se mova mais rápido.
De acordo com o princípio de Bernoulli, ao se mover mais rápido, a pressão na parte superior da asa é menor do que na parte inferior. Essa diferença de pressão gera uma força ascendente, conhecida como sustentação, que levanta a aeronave.
Lei de Newton
Além do princípio de Bernoulli, a terceira lei de Newton, que afirma que "para cada ação há uma reação igual e oposta", também desempenha um papel importante na geração de sustentação.
O fluxo de ar 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 essencial no voo de uma aeronave é a propulsão, que é a força que impulsiona a aeronave para frente. Essa força é produzida pelos motores da aeronave, que podem ser motores a jato (na maioria das aeronaves comerciais) ou hélices (em aeronaves menores ou mais antigas).
A propulsão é o que permite que a aeronave mantenha velocidade suficiente para que as asas gerem sustentação.
No caso dos motores a jato, eles funcionam expelindo gases em alta velocidade para trás.
De acordo com a terceira lei de Newton, a reação a essa ejeção é uma força que empurra o avião para frente. No caso das hélices, elas giram rapidamente e empurram o ar para trás, criando uma força que move o avião para frente.
3. Resistência e peso
Há duas forças adicionais que devem ser neutralizadas para que um avião voe: arrasto e peso.
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Arrasto: É a força que se opõe ao movimento da aeronave no ar. Ela é causada pelo atrito da aeronave com as moléculas de ar, o que gera atrito que tende a desacelerar a aeronave. Os projetistas de aeronaves trabalham para reduzir o arrasto aerodinâmico, dando a elas formas suaves e aerodinâmicas.
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Peso: O peso da aeronave, que é a força descendente devido à gravidade, deve ser neutralizado pela força de sustentação para que a aeronave não caia. A sustentação deve ser maior que o peso para que o avião suba, e deve ser igual ao peso para que ele mantenha o voo estável.
4. Controle de voo
Para controlar a direção e a estabilidade da aeronave no ar, são utilizadas diferentes superfícies de controle, localizadas principalmente nas asas e na cauda da aeronave. Essas superfícies são:
- Ailerons: Localizados nas asas, permitem que a aeronave gire em seu eixo longitudinal, inclinando-se para um lado ou outro (isso é conhecido como "roll").
- Leme: Localizado na parte vertical da cauda, controla a rotação da aeronave em seu eixo vertical (movimento conhecido como "guinada").
- Profundores: Localizados na parte horizontal da cauda, controlam a inclinação da aeronave em seu eixo lateral, ou seja, fazem a aeronave subir ou descer (movimento chamado de "pitching").
5. Velocidade e altitude
A velocidade da aeronave é crucial para que a sustentação ocorra. Em baixas velocidades, a quantidade de ar que passa sobre as asas não é suficiente para gerar a sustentação necessária, e a aeronave 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 de gerar sustentação).
Por esse motivo, os aviões precisam atingir uma velocidade mínima para decolar e permanecer no ar. Uma vez em voo, eles devem manter uma velocidade apropriada dependendo da altitude e das condições de voo.
Quanto à altitude, à medida que a aeronave sobe, a densidade do ar diminui, o que pode afetar tanto a sustentação quanto a eficiência do motor. Os aviões são projetados 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 consideração 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 voo estável.
Comparação com voo de helicóptero
Aviões e helicópteros voam usando princípios aerodinâmicos semelhantes, mas há diferenças importantes na forma como eles geram sustentação e são controlados no ar.
Geração de apoio
- Aviões : Eles geram sustentação através de suas asas fixas. Para voar, eles precisam se mover para frente, permitindo que o ar flua sobre suas asas e crie uma diferença de pressão que os mantenha no ar.
- Helicópteros : Eles geram sustentação através de seus rotores , que funcionam como asas giratórias. O rotor principal do helicóptero gira rapidamente e move o ar para baixo, criando uma força de reação ascendente, permitindo a decolagem e o voo vertical sem a necessidade de movimento para frente.
Propulsão
- Aviões : usam motores a jato ou hélices para gerar a força de propulsão necessária para que o ar flua sobre as asas e produza sustentação.
- Helicópteros : Não precisam se mover para frente 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 para os lados).
Controlar
- Aviões : Use ailerons, lemes e elevadores para controlar o voo. Elas permitem que você vire e suba ou desça, mas sempre precisam se mover para frente.
- Helicópteros : Eles controlam o voo ajustando o ângulo dos rotores (cíclico e coletivo) e usando o rotor de cauda para controlar a guinada, permitindo-lhes decolar e pousar verticalmente, e pairar.
Comparação com o voo de um balão de ar quente
O voo de um avião e o de um balão de ar quente são baseados em princípios completamente diferentes quanto à forma como a sustentação, a propulsão e o controle são gerados.
Geração de apoio
- Aviões : Eles geram sustentação através de suas asas fixas. Para o avião voar, ele precisa se mover para frente, permitindo que o ar passe sobre as asas e crie uma diferença de pressão que o mantenha no ar.
- Balões de ar quente : Eles não geram sustentação através do movimento ou das asas. Em vez disso, eles funcionam com base no princípio da flutuabilidade ou princípio de Arquimedes , que afirma que um objeto submerso em um fluido (neste caso, o ar) sofre uma força ascendente igual ao peso do fluido deslocado. O ar quente dentro do balão é menos denso que o ar frio ao redor, fazendo com que o balão flutue para cima.
Propulsão
- Aviões : Eles usam motores (jato ou hélice) para gerar empuxo para a frente, permitindo que eles se movam para frente e gerem 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 dentro dele.
Controlar
- Aviões : Use superfícies de controle (ailerons, leme, elevadores) para manobrar no ar. Os pilotos têm controle sobre a direção, altitude e 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 de vento, já que o balão não tem controle direto sobre seu deslocamento horizontal.
Evolução do voo humano
Os pioneiros do voo
A ideia de voar fascina a humanidade desde os tempos antigos. Entretanto, foi somente no final do século XIX e início do século XX que o primeiro voo controlado e sustentado foi alcançado.
Os irmãos Wright, Orville e Wilbur, alcançaram esse marco em 17 de dezembro de 1903, com seu avião Flyer I. Esta aeronave era equipada com asas fixas e um motor, e seu sucesso foi resultado de anos de pesquisa em 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 Guerra Mundial, a aviação militar impulsionou muitos avanços no design de aeronaves, que mais tarde foram transferidos para a aviação comercial.
Os aviões começaram a ser usados para o transporte de passageiros e cargas, e a aviação civil cresceu exponencialmente durante o século XX.
Um dos marcos mais importantes na aviação comercial foi o desenvolvimento do Boeing 707 na década de 1950, um dos primeiros jatos comerciais. Esta aeronave revolucionou o transporte aéreo ao permitir voos mais rápidos e de maior distância, e marcou o início da era do jato.
Aeronaves modernas
Hoje, os aviões são máquinas altamente sofisticadas, com sistemas avançados de navegação, controle e segurança. Aeronaves comerciais modernas, como o Boeing 787 Dreamliner ou o Airbus A350, são projetadas para serem extremamente econômicas em termos de combustível e reduzir as emissões de carbono.
Além disso, melhorias em materiais compostos e aerodinâmica permitem que as aeronaves sejam mais leves, reduzindo o peso e, portanto, o consumo de combustível.
A introdução de tecnologias como motores de alta eficiência e o uso de materiais compostos leves permitiu que as aeronaves modernas se tornassem mais silenciosas e econômicas.
A automação também desempenhou um papel fundamental no controle de voo, com sistemas de piloto automático permitindo que aeronaves voem em trajetórias predeterminadas com intervenção humana mínima.