Como funciona uma asa de avião?

O avião pode ou não ser a invenção que mais mudou a vida do século 20; argumentos podem ser feitos para todos os tipos de outras inovações, incluindo drogas antibióticas, o processador de computador e o advento da tecnologia de comunicação global sem fio. No entanto, poucas dessas invenções, se houver, carregam tanto a grandeza visual quanto o espírito humano inato de ousadia e exploração como o avião.

A maior parte de um avião típico é amplamente indistinguível de outros veículos de passageiros de grande escala; consiste em um compartimento em forma de tubo no qual se sentam os passageiros, os responsáveis ​​e outros itens transportados. Além disso, a maioria dos aviões tem rodas; a maioria dos observadores não os colocaria como característica principal, mas a maioria dos aviões não poderia decolar ou pousar sem eles.

Claramente, porém, a principal característica física que torna um avião imediatamente identificável suas asas. Até certo ponto, as estruturas de suporte sobre as quais você vai ler aumentam a aparência característica de um avião, mas a asa é, de certa forma, a mais atraente; apesar de sua aparência enganosamente básica, a asa de avião é uma verdadeira maravilha da engenharia, além de indispensável à vida na civilização moderna.

O controle do avião não requer apenaselevador(muito mais sobre isso depois), mas também direção vertical e horizontal e equipamento de estabilização. O seguinte se aplica a um avião do tipo passageiro padrão; claramente, não existe nenhum projeto de avião, ou de avião a jato de passageiros. Pense na física, não nos ingredientes específicos.

O tubo, ou corpo, de um avião é chamado defuselagem. As asas são presas à fuselagem em um ponto na metade de seu comprimento. As próprias asas têm dois conjuntos de componentes móveis na parte traseira; o conjunto externo é chamadoailerons, enquanto os mais longos, os internos são simplesmente chamadosabas. Eles mudam o rolamento e o arrasto da aeronave, respectivamente, ajudando na direção e desacelerando o avião. As pontas das asas costumam ter pequenos móveiswinglets, que diminuem o arrasto.

As partes da cauda de um avião incluemhorizontaleestabilizadores verticais,o primeiro imitando pequenas asas na orientação e ostentandoelevadores, e o último incluindo umleme,o principal meio do avião para alterar o curso horizontal. Um avião que só tinha motor e asas, mas sem leme, seria como um carro potente sem volante, e não é preciso ser um físico ou piloto profissional para detectar os problemas aqui.

​Orville e Wilbur Wrightsão creditados por fazer o primeiro vôo bem-sucedido, em 1903 na Carolina do Norte, EUA. Como você talvez tenha imaginado, eles não eram meros temerários que montou uma engenhoca descuidada de um motor e algumas pranchas leves e fez uma tentativa, uma que por acaso funcionou em seu Favor. Pelo contrário, eles eram pesquisadores meticulosos e entenderam que a asa serviria como o aspecto crítico de qualquer mecanismo de vôo de avião bem-sucedido. ("Avião" é um termo curioso, mas adorável no mundo da aviação.)

Os Wrights tiveram acesso aos dados do túnel de vento da Alemanha e os usaram na formulação das asas dos planadores que precederam sua versão motorizada de 1903, instantaneamente famosa. Eles experimentaram diferentes formatos de asas e descobriram que aquelas com proporções entre a envergadura e a largura da asa próximas, e perto de 6,4 para 1, pareciam ideais; que isso é quase perfeitoproporção da telafoi confirmado por métodos de engenharia modernos.

Uma asa é uma espécie de aerofólio, que é a seção transversal de qualquer coisa do interesse dos engenheiros no domínio da dinâmica dos fluidos, como velas, hélices e turbinas. Essa representação é útil na solução de problemas porque oferece a melhor representação visual de como um avião sobe e como isso pode ser modulado por meio de diferentes formatos de asas e outros recursos.

Talvez na escola, ou apenas assistindo ao noticiário, você viu ou ouviu o termo "elevador" em referência ao vôo. O que é elevação na física? A elevação é mesmo uma quantidade mensurável ou mapeia para uma?

A sustentação é, na verdade, uma força que, por definição, se opõe à força de um objetopeso. Peso, por sua vez, é a força produzida como resultado dos efeitos da gravidade em objetos commassa. Alcançar a sustentação é essencialmente neutralizar a gravidade - e a gravidade "trapaceia" neste cabo de guerra vertical, porque ela nunca para!

Elevador é umgrandeza vetorial, como todas as forças e, portanto, tem um componente escalar (seu número ou magnitude) e uma direção especificada (geralmente incluindo duas dimensões, rotuladasxey, em problemas de física de nível introdutório). O vetor desenhado age através do centro de pressão do objeto e é direcionado perpendicularmente à direção do fluxo do fluido.

O aumento requer umfluido(um gás ou mistura de gases, como o ar, ou um líquido, como o óleo) como um meio. Assim, nem um objeto sólido nem um vácuo servem como um ambiente de vôo hospitaleiro; a primeira delas é intuitivamente óbvia, mas se você já se perguntou se poderia dirigir um avião no espaço sideral manipulando suas asas ou cauda, ​​a resposta é não; não há "material" físico contra o qual as partes do avião possam empurrar.

Todo mundo já observou os redemoinhos e correntes de um rio ou riacho e ponderou sobre a natureza do fluxo do fluido. O que acontece quando um rio ou riacho repentinamente se torna muito mais estreito, sem alteração na profundidade? Como resultado, a água do rio flui muito mais rapidamente. Velocidades mais altas significam mais energia cinética, e aumentos na energia cinética dependem de alguma entrada de energia no sistema na forma de trabalho.

Com relação à dinâmica dos fluidos, o ponto chave é que a pressão P cairá em fluidos de densidade que se movem rapidamenteρ, incluindo ar. (A densidade é a massa dividida pelo volume, ou m / V.) As várias relações entre a energia cinética de um fluido (1/2) ρv², sua energia potencial ρgh (ondehé qualquer mudança na altura sobre a qual existe uma diferença de pressão do fluido) e pressão totalPé capturado pela equação que ficou famosa pelo cientista suíço do século 18David Bernoulli. A forma geral é escrita:

Aquigé a aceleração devido à gravidade na superfície da Terra, que tem o valor de 9,8 m / s². Essa equação se aplica a inúmeras situações envolvendo o fluxo de água e gases e o movimento de objetos em fluidos, como aviões voando pelo ar do céu.

Ao considerar a asa do avião, o último termo na equação de Bernoulli pode ser abandonado porque a asa é tratada como estando em uma altura uniforme:

Você também deve estar ciente da equação de continuidade, que relaciona a pressão à área transversal da asa:

A combinação dessas equações mostra como a força de sustentação é produzida. Criticamente, o diferencial de pressão entre o topo da asa e a parte inferior é o resultado das diferentes formas dos respectivos lados do aerofólio. O ar acima da asa pode se mover mais rápido do que o ar abaixo, o que resulta em uma espécie de "pressão de sucção" de cima que se opõe ao peso do avião.

O movimento para a frente do próprio avião, é claro, é o que cria o movimento do ar; a velocidade horizontal do avião é criada pelo impulso de seus motores a jato contra o ar, e a força oposta resultante exercida contra a nave nesta direção é chamadaarrastar​.

• Assim, um resumo das forças para cima, para baixo, para frente e para trás em um avião e suas asas vistas de um lado sãoelevador​, ​peso​, ​impulsoearrastar​.