Variações de pressão causadas pelo desvio de um fluido em movimento
A sustentação é uma força em uma asa (ou qualquer outro objeto sólido) imersa em um fluido em movimento, e atua de forma perpendicular ao fluxo do fluido (arrasto é a mesma coisa, só que atua paralelamente à direção do fluxo de fluido). A força líquida é criada por diferenças de pressão geradas por variações na velocidade do ar em todos os pontos ao redor da asa. Essas variações de pressão são causadas pela interrupção e pelo desvio do fluxo de ar que passa pela asa. A distribuição de pressão medida em asas tradicionais se assemelha ao seguinte diagrama:
O ar aproximando-se da parte superior da asa é comprimido no ar acima dele, conforme se desloca para cima. Assim, visto que a parte superior se curva para baixo e para longe do fluxo de ar, uma área de baixa pressão é desenvolvida - e o ar acima é empurrado para baixo, em direção à traseira da asa;
O ar que se aproxima da superfície inferior da asa é retardado, comprimido e redirecionado em um trajeto descendente. Conforme o ar se aproxima da parte traseira da asa, ele acelera e a pressão gradualmente se equipara àquela do ar deslocando-se para cima. Os efeitos totais da pressão encontrados na parte inferior da asa em geral são menos perceptíveis do que aqueles na parte superior da asa;
Componente de sustentação;
Força líquida;
Componente de arrasto.
Ao adicionar todas as pressões que atuam sobre a asa (por todo o lugar), obtém-se a força absoluta na asa. Parte dessa sustentação vai levantar a asa (componente de sustentação) e o restante serve para desacelerar a asa (componente de arrasto). Como a quantidade de fluxo de ar desviado pela asa aumenta, as diferenças de velocidade e pressão entre as partes superior e inferior se tornam mais evidentes, aumentando a sustentação. Há muitas maneiras de aumentar a sustentação de uma asa, tal como aumentar o ângulo de ataque ou a velocidade do fluxo de ar. Esses e outros métodos são explicados em detalhes mais adiante, neste artigo.
É importante notar que, diferentemente das explicações populares previamente descritas, a sustentação depende de contribuições significativas tanto da parte superior quanto da parte inferior da asa. Embora nenhuma dessas explicações seja perfeita, ambas têm um pouco de validade. Outras explicações afirmam que a distribuição irregular de pressão causa o desvio de fluxo, ao passo que outras afirmam que o oposto é verdadeiro. Em ambos os casos, está claro que não é um assunto que possa ser facilmente explicado usando teorias simplificadas.
Da mesma forma, prever a quantidade de sustentação criada pelas asas foi uma tarefa igualmente desafiadora para engenheiros e projetistas no passado. Na verdade, por anos temos nos valido de dados experimentais coletados há 70, 80 anos, para auxiliar em nossos projetos iniciais de asas
Em 1915, o Congresso norte-americano criou o National Advisory Committee on Aeronautics (Naca - um precursor da Nasa). Durante as décadas de 20 e 30, a Naca conduziu testes de túnel de vento em centenas de formatos de aerofólios (formatos de corte transversal de asa). Os dados obtidos permitiram aos engenheiros calcular antecipadamente a quantidade de sustentação e arrasto que os aerofólios podem desenvolver em diversas condições de vôo.
O coeficiente de sustentação de um aerofólio é o número que relaciona sua capacidade de produção de sustentação à velocidade do ar, densidade do ar, área da asa e ângulo de ataque - o ângulo do aerofólio em relação ao fluxo de ar de entrada (discutiremos isso mais tarde, em mais detalhes). O coeficiente de sustentação de um aerofólio depende de seu ângulo de ataque.
A inclinação da curva de sustentação de um aerofólio
Naca
L = sustentação
Cl = coeficiente de sustentação
(rho) = densidade do ar
V = velocidade do ar
A = área da asa
Como exemplo, vamos calcular a sustentação de um avião com 40 pés de envergadura e um comprimento de perfil de 4 pés (área da asa = 160 pés quadrados), movendo-se a uma velocidade de 100 mph (161 km/h) ao nível do mar (146,7 pés, ou 45 metros por segundo). Suponhamos que a asa tenha uma seção transversal constante utilizando um formato de aerofólio Naca 1408 e que o avião esteja voando de forma que o ângulo de ataque da asa seja de 4 graus.
A = 160 pés quadrados
(rho) = 0,00238 slugs/ pé cúbico (ao nível do mar em
um dia normal; slug é unidade americana de massa; 1 slug = 32,17 libras)
V = 146,7 pés por segundo
Cl = 0,55 (coeficiente de sustentação para aerofólio
Naca 1408 a 4 graus AOA)
Sustentação = 0,55 x 0,5 x 0,00238 x 146,7 x 146,7 x 160
Sustentação= 2.254 lbs
A = 15 metros quadrados
(rho) = 1,224 kg/m³ (ao nível do mar em um dia normal)
V = 45 metros por segundo
Cl = 0,55 (coeficiente de sustentação para aerofólio
Naca 1408 a 4 graus AOA)
Sustentação = 0,55 x 0,5 x 1,224 x 45 x 45 x 15
Sustentação= 10.022 newtons, ou 1.022 kg-força
A conversão de libras para newtons não é precisa porque foram usadas aproximações diferentes em alguns dos fatores da fórmula.
Existem fatos interessantes sobre asas que são úteis para
entender em detalhes seu funcionamento. O formato da asa, o ângulo de
ataque, flapes, hipersustentador, superfícies giratórias e de
exaustão são elementos importantes a considerar.
Vamos começar pelo formato da asa.
O formato de aerofólio "padrão" que explicamos acima não é o único formato para uma asa. Por exemplo, os aviões de acrobacias (aqueles que voam de cabeça para baixo por longos períodos em demonstrações aéreas) e aeronaves supersônicas têm perfis de asa que são um pouco diferentes do esperado:
O aerofólio superior é comum para um avião de acrobacias e o aerofólio inferior é comum para caças supersônicos. Observe que ambos são simétricos, tanto na parte superior quanto na inferior. Aviões de acrobacias e jatos supersônicos obtêm sua sustentação exclusivamente do ângulo de ataque da asa.
O ângulo de ataque é o ângulo da asa em relação ao ar que se aproxima - é ele que determina a espessura da fatia de ar que a asa está atravessando. Por determinar essa fatia, o ângulo de ataque também dita a sustentação que a asa gera (embora este não seja o único fator).
Ângulo de ataque zero
Ângulo de ataque raso
Ângulo de ataque agudo
