O homem sempre admirou o vôo suave dos pássaros, aquelas habilidades e técnicas naturais herdadas de Deus, que sempre foram de causar inveja. Ao passar dos tempos alguns aventureiros tentaram de alguma forma imitar os seres de asas, mas não obtiveram sucesso, Leonardo da Vinci foi uma figura que pesquisou a anatomia dos pássaros, obteve informações do comportamento das asas em relação ao ar. Tempos depois tivemos a colaboração de Alberto Santos Dumont, que conseguiu voar com seu 14-BIS, aeronave biplano, durante alguns metros, e com isto fez deslanchar a aviação mundial. Com o efeito das guerras, a indústria aérea teve um grande impulso, promovendo estudos e pesquisas para o aperfeiçoamento dessas máquinas maravilhosas.
Para que um avião voe, é necessário que algum tipo de força consiga vencer ou anular o seu peso. Muitas vezes, quando alguma pessoa vê pela primeira vez um Boeing ou um Airbus decolando ou pousando num aeroporto, não imagina como aquela máquina com algumas toneladas consiga ficar afastada, metros e as vezes quilômetros do solo. Por estas razões que este assunto se torna muito curioso e as vezes apaixonante.
Introdução
O homem sempre admirou o vôo suave dos pássaros, aquelas habilidades e técnicas naturais herdadas de Deus, que sempre foram de causar inveja. Ao passar dos tempos alguns aventureiros tentaram de alguma forma imitar os seres de asas, mas não obtiveram sucesso, Leonardo da Vinci foi uma figura que pesquisou a anatomia dos pássaros, obteve informações do comportamento das asas em relação ao ar. Tempos depois tivemos a colaboração de Alberto Santos Dumont, que conseguiu voar com seu 14-BIS, aeronave biplano, durante alguns metros, e com isto fez deslanchar a aviação mundial. Com o efeito das guerras, a indústria aérea teve um grande impulso, promovendo estudos e pesquisas para o aperfeiçoamento dessas máquinas maravilhosas. Para que um avião voe, é necessário que algum tipo de força consiga vencer ou anular o seu peso, então vamos verificar nesta página o que realmente acontece fisicamente quando ele está em movimento, originando fenômenos que irão ser explicados no desdobramento desta matéria, na qual as asas, também chamadas de aerofólios serão objeto de estudo. A aviação está baseada nos princípios da física, alguns estudados na escola, nos explicando todos os mistérios que giram em torno desta prática. Muitas vezes, quando alguma pessoa vê pela primeira vez um Boeing ou um Airbus decolando ou pousando num aeroporto, não imagina como aquela máquina com algumas toneladas consiga ficar afastada, metros e as vezes quilômetros do solo. Por estas razões que este assunto se torna muito curioso e as vezes apaixonante.
Fundamentos físicos
Sabemos que o principal obstáculo nas primeiras tentativas para colocar um avião no ar era o seu peso, uma força causada pela gravidade, mas com alguns diferentes formatos na aerodinâmica dos corpos, conseguiu-se controlar este problema, de forma artesanal no início. Nos estudos e pesquisas feitos pelos cientistas das várias épocas, verificou-se que o ar, fluído que será responsável para sustentar uma aeronave em vôo é composto de alguns elementos, entre eles, nitrogênio, oxigênio e água, com isto podendo sofrer alterações em grandezas como a densidade, temperatura e pressão. Estas mudanças na atmosfera estão relacionadas entre as diferenças de temperatura e pressão entre as várias massas de ar que circulam, originando deslocamentos das camadas, dando início aos ventos, que poderão ser úteis ou desfavoráveis ao vôo.
As grandezas vetoriais e escalares estão presentes neste assunto, sendo as forças, todas vetoriais, incluindo as velocidades, pressões e acelerações, já as escalares, compostas da massa, das temperaturas e densidades. Quando um avião tem o vento a seu favor, temos uma soma vetorial, ou vice-versa, com isto, os vetores são amplamente utilizados, originando todo tipo de resultantes, sejam elas verticais, como peso e sustentação, que será vista posteriormente no ítem das forças, ou horizontais, como a tração e a resistência do ar, quando o avião está em vôo com velocidade constante, a soma de todas as suas forças é nula. O empuxo, visto em hidrostática, também é bem utilizado, porém tendo como fluído, o ar, pois o deslocamento de ar para trás irá causar uma força para frente, então o empuxo, já relacionando com a 3º lei de Newton, lei da ação e reação ( para toda força existe uma outra de mesma direção, mesmo módulo e sentido contrário). A temperatura é uma grandeza escalar muito importante, sendo muito variável, sabemos que quanto mais alto estivermos em relação ao nível do mar, menor será seu valor, o mesmo acontece com a densidade do ar, pois quanto maior a altitude, ficará mais rarefeito alterando nas forças relacionadas no vôo, pois altera diretamente a resistência do ar, quanto ao avanço de um corpo.
Forças
Existem quatro forças básicas presentes no vôo:
SUSTENTAÇÃO , ARRASTO , TRAÇÃO , PESO
SUSTENTAÇÃO
Quando um avião se desloca pelo ar, ocorre um fenômeno na sua asa que irá produzir uma força para cima, sentido inverso ao peso. O perfil da asa ou aerofólio tem comprimentos diferentes na parte superior (extradorso) e na parte inferior (intradorso) devido ao seu formato, possibilitando que duas partículas de ar percorrendo tais comprimentos ao mesmo tempo, conseqüentemente tenham velocidades diferentes. A física explica que o aumento da velocidade de um fluído pelas paredes de um tubo, provoca um aumento da pressão dinâmica (ar em movimento) e uma diminuição da pressão estática (ar em repouso), originando uma força. Então, tal diferença de pressões estáticas será a responsável por criar uma força perpendicular a superfície da asa, chamada de RESULTANTE AERODINÂMICA, agindo no chamado centro de pressão, tendo como sua componente vertical, a força de SUSTENTAÇÃO. A figura abaixo nos mostra o deslocamento das partículas de ar, partindo do bordo de ataque (frente do perfil) e chegando ao mesmo no bordo de fuga (traseira do perfil) resultando no aparecimento de uma força que compensará o peso da aeronave.
O perfil da asa pode formar um ângulo imaginário com a direção horizontal, chamado ÂNGULO DE ATAQUE, que poderá aumentar a força de sustentação e ao mesmo tempo, aumentar a força de resistência do ar, fazendo com que o avião tenha menor velocidade, então quando observamos aeronaves nos céu da cidade fazendo procedimento de aproximação, estas estão com um maior ângulo de ataque, então com pouca velocidade. Quando aumenta-se demais este ângulo, aumentamos também a resistência do ar, na mesma proporção, diminuindo muito sua velocidade, com isto o avião pode perder instantaneamente sua sustentação, entrando em estol ( perda total da sustentação em vôo). Afigura abaixo nos mostra o ângulo de ataque da asa.
Podemos calcular analiticamente o valor da força de sustentação (componente vertical da RA).
Cl = coeficiente de sustentação
p = densidade do ar
S = área da superfície da asa
v = velocidade da aeronave
L = força de sustentação (Lift)
ARRASTO
O arrasto é uma força aerodinâmica devido a resistência do ar, que se opõe ao avanço de um corpo. Essa força depende de alguns fatores como a forma do corpo, a sua rugosidade e o efeito induzido resultante da diferença de pressão entre a parte inferior e superior da asa.
Então podemos dividir o ARRASTO em três ítens:
Arrasto de atrito
Arrasto de forma
Arrasto induzido
Arrasto de atrito
Este tipo de arrasto está relacionado com as características da superfície, sendo ela lisa ou áspera. Quanto mais próximo dela, o ar forma uma camada limite, no qual se move de forma laminar se a superfície for lisa, do mesmo jeito que a fumaça sai do cigarro, porém se a mesma for rugosa ou áspera, ocorrerá um fluxo de ar turbilhonado aumentando o arrasto. Atualmente, as aeronaves são feitas de material mais liso na sua área externa, possibilitando mais economia e melhor rendimento em vôo.
Arrasto de forma
O arrasto em questão está relacionado com a área, na qual o ar colide de frente, e ocorre a chamada deflexão ( desvio do ar pelo obstáculo). A maior ou menor facilidade de um corpo se deslocar em determinado fluído chama-se aerodinâmica, então as partes que compõe um avião devem ser arredondadas ou terem o efeito de flechas, evitando superfícies retas perpendiculares ao deslocamento, originando assim uma resistência menor. O arrasto de forma depende de alguns fatores como a densidade do ar, velocidade e área frontal do corpo, podendo ser calculado com a fórmula abaixo.
CD = coeficiente de resistência aerodinâmica da asa
p = densidade do ar
S = área da superfície da asa
v = velocidade da aeronave
D = força de resistência ( Drag)
Arrasto induzido
O arrasto induzido está relacionado com diferença de pressão entre a parte superior e inferior da asa. O ar que está no intradorso (parte inferior) tende a fluir para o extradorso (parte superior), originando um turbilhonamento na ponta da asa, com isto provocando uma resistência ao avanço do avião e diminuindo a sustentação. Existem alguns dispositivos para corrigir este problema como os Winglets, localizados nas pontas das asas, principalmente em aviões mais modernos, que impedem a passagem de ar de cima para baixo. Afigura abaixo mostra o turbilhonamento do ar decorrente do arrasto induzido.
TRAÇÃO
A tração é uma força responsável por impulsionar a aeronave para frente, sendo originada de algum tipo de motor. Normalmente, no dias de hoje a aviação está servida de motores convencionais, a quatro tempos e motores a reação, utilizando-se de turbo-jatos e turbo-fan.
Motores convencionais
Este tipo de motor utiliza-se basicamente da mesma tecnologia dos motores dos carros modernos, ou seja, o sistema quatro tempos, utilizando-se de um número variável de cilindros onde será gerada a energia necessária para movimentar a hélice que impulsionará o avião a frente. Uma mistura de ar e combustível, normalmente utilizado uma gasolina especial, é preparada no carburador e emitida para a câmara de combustão, dentro do cilindro, pela válvula de admissão, movimentando o pistão para baixo, e transferindo todo movimento para o eixo de manivelas, ligado a hélice. Após o pistão sobe e comprime a mistura, a qual receberá uma centelha de um dispositivo chamado vela, provocando uma combustão e um aumento da pressão da mistura e uma conseqüente expansão, forçando o pistão para baixo, após, os gases finais são expelidos pela válvula de escapamento, e o ciclo continua, para que o avião mantenha a força de tração. Devido ao avanço da tecnologia, alguns aviões a hélice utilizam um sistema que adiciona uma turbina, que será visto nos motores a reação, recebendo o nome de turbo-hélice. A figura abaixo mostra ama aeronave com tração a hélice.
Quando a hélice da uma volta, o avião sofre um deslocamento, este é chamado de PASSO DA HÉLICE, onde pode ser fixo ou variável. Quando um avião está na decolagem, a freqüência do motor em rpm pode aumentar, e em alguns casos dependendo do sistema do conjunto da hélice, o passo pode modificar.
Motores a reação
Este tipo de motor funciona de acordo com a terceira lei de Newton, ação e reação, onde a ação se situa na expulsão dos gases para trás, provocando a reação do deslocamento do avião para frente. Os sistemas utilizados são os turbo-jato e turbo-fan, sendo este último mais moderno.
O sistema em si, utiliza-se de um conjunto de pás na parte da frente, formando o primeiro compressor e a parte de traz, segundo compressor da turbina, e no meio contendo uma câmara de combustão, onde se dará a queima da mistura de ar comprimido com o combustível, normalmente querosene, que aumentará ainda mais a pressão dos gases originando uma saída dos mesmos muito forte. Neste caso, está presente a força de empuxo devido ao deslocamento dos gases. Abaixo pode ser visto o correto funcionamento de uma turbina.
Normalmente, as aeronaves maiores são servidas de dois, três ou quatro motores a reação, atingindo grandes velocidades e voando em grandes altitudes. Devido a economia de combustível e ao avanço da tecnologia, os grandes jatos estão sendo dotados de não mais que duas grandes turbinas.
PESO
O peso está relacionado com a força da gravidade, a qual atrai todos os corpos que estão no campo gravitacional terrestre. Não existe nenhuma forma de alterar esta força, então é preciso cada vez mais aperfeiçoar as aeronaves, para sempre respeitar as leis da natureza.
O peso é um fator muito importante nas operações de pouso e decolagem, pois um avião muito pesado irá precisar de maior comprimento de pista para decolar, para conseguir velocidade suficiente visando a sustentação para anular o peso, sendo assim, aviões maiores são impedidos de operar em certos aeroportos. O mesmo acontece na aterrisagem, pois deve-se respeitar a lei da inércia.
Fonte: www.fisica.seed.pr.gov.br
Devido ao trágico acidente com o avião da Gol, ocorrido no
dia 30 de setembro de 2007, diversos meios de comunicação mostraram
um dos intrumentos de navegação que supostamente havia falhado
ou não estava operando corretamente, o TCAS.
Esse sistema deveria ter alertado os pilotos que outra aeronave voava no mesmo
nível (altitude) e que haveria o risco de colisão caso nenhuma
atitude fosse tomada.
TCAS significa Traffic alert and Collision Avoidance System, ou Sistema de Alerta de Tráfego e Evitação de Colisão, e é um dispositivo computadorizado, projetado para reduzir o perigo de colisão entre duas ou mais aeronaves durante o vôo.
O TCAS monitora o espaço aéreo ao redor de uma aeronave, independentemente do controle de tráfico aéreo, e alerta o piloto da presença de outro avião em sua área e que possa apresentar ameaça de colisão. O TCAS é uma implementação de outro instrumento, o ACAS (Airborne Collision Avoidance System ou Sistema Transportado de Evitagem de Colisão), um sistema obrigatório em aeronaves com mais de 5700 quilos e autorizada a carregar mais de 19 passageiros.
Atualmente o sistema TCAS é fabricado por duas gigantes norte-americanas, a Rockwell Collins e a Honeywell.
Nas modernas cabines de comando, ou cockpit, o display do TCAS é integrado ao display de navegação, enquanto nas cabines mais antigas e naquelas com instrumentos mecânicos, o display do TCAS subsitui outro equipamento, o IVSI (Instantaneous Vertical Speed Indicator), que indica instantaneamente a velocidade com que a aeronave está descendo ou subindo.
Apesar das pesquisas com sistemas de evitação de colisão existirem desde 1950, autoridades como a FAA, Admistração Federal de Aviação dos EUA, somente as colocaram em funcionamento após diversos acidentes de grandes proporções, que envolveram grande número de vítimas.
Alguns desses trágicos acidentes, em pleno vôo, incluem:
Colisão sobre o Grand Canyon (EUA), em 1956
Colisão em Zagreb, em 1976
Vôo PSA 182, no qual um Boeing 727 colidiu com um Cessna 172 em 1978
Vôo 498 da AeroMéxico, em 1986, que se chocou com um avião similar PSA vôo 182
Funcionamento
O sistema TCAS envolve a comunicação eletrônica entre todas a aeronaves equipadas com um transponder apropriado. O transponder é um sistema de radiocomunicação entre o avião e o radar, e que informa dados de telemetria da aeronave, entre eles, o número do vôo, altitude, velocidade e direção.
Utilizando a frequência de 1030 mHz, o TCAS de uma aeronave "interroga" todos os outros TCAS das aeronaves que estejam ao seu alcance, e todas as outras aeronaves "respondem" à solicitação na frequencia de 1090 mHz. Este ciclo de "perguntas e respostas" eletrônicas ocorre diversas vezes por segundo.
Através dessa troca constante de dados, o computador interno do TCAS monta um mapa tridimensional das aeronaves no espaço adjacente, utilizando principalmente a localização, rumo, altitude e velocidade. Utilizando esses dados o sistema então projeta a posição futura de todas as aeronaves, determinando os riscos potenciais de colisão.
É importante notar que o TCAS e suas variantes somente operam e interajem com aeronaves que utilizam transponder e que estes estejam em operação.
Versões de TCAS
TCAS I
O TCAS I é a primeira geração de tecnologia de eviatação
de colisão. É um sistema mais barato e menos capaz que os modernos
TCAS II. O TCAS I monitora a situação de tráfico ao redor
da aeronave em um raio de 65 km e oferece informações de rumo
e altitude de outras aeronaves.
Além disso, o sistema gera alertas de colisão na forma de TA
(Traffic Advisory ou aviso de Tráfico).
O TA alerta ao piloto que outra aeronave está próxima de sua vizinhança, emitindo um alerta sonoro de "traffic, traffic", mas não oferece nenhuma forma de correção. Cabe ao piloto e ao controle de tráfego decidir o que fazer. Quando a ameaça termina, o sistema anuncia "clear of conflict", ou livre de colisão
TCAS II
O TCA II é a segunda geração desse tipo de intrumento e atualmente é usado na maioria dos equipamentos da aviação comercial.
O TCA II oferece todos os benefícios do TCAS I, mas oferece ao piloto
intruções fonéticas para que o perigo seja evitado. Os
avisos podem ser do tipo "corretivos" que sugerem ao piloto mudanças
de altitude através de alertas do tipo "descend, descend ou climb,
climb" (desça, desça, suba, suba), ou preventivos que sugerem
ações.
Outros alertas podem ser emitidos, entre eles "Monitor Vertical Speed",
que sugere ao piloto que monitore sua ascenção vertical.
O sistema TCAS II opera de forma sincronizada entre todos os aviões de uma mesma vizinhança. Se em um deles o TCAS II alerta o piloto a descer, em outra aeronave o sistema informa o comandante a subir, maximizando assim a separação entre duas aeronaves.
TCAS III
O TCAS III é a próxima geração entre sistemas de evitação de colisão e atualmente se encontra em fase de desenvolvimento. O sistema deverá permitir aos pilotos manobras horizontais, além das manobras verticais disponíveis nas duas classes atuais. O sistema poderá intruir o comandante a "virar à direita e subir", enquanto na outra aeronave o alerta seria de "virar à direita e descer", permitindo total separação entre os aviões, tanto em sentido vertical como horizontal.
Alarmes Falsos
Devido os sistemas ocasionalmente dispararem alarmes falsos, todos os pilotos atualmente são intruídos a considerar verdadeiras todas as mensagens, e imediatamente responder à elas. Tanto a FAA como as autoridades de diversos países estabelecem que em caso de conflito entre entre as mensagens do TCAS e as do controle de tráfego aéreo, deve prevalecer às do TCAS.
Fonte: www.apolo11.com
