Estrutura da Atmosfera

A atmosfera é um envelope de ar que envolve a Terra e repousa sobre sua superfície. É uma parte da Terra tanto quanto os mares ou a terra, mas o ar difere da terra e da água, pois é uma mistura de gases. Tem massa, peso e forma indefinida.

A atmosfera é composta de 78% de nitrogênio, 21% de oxigênio e 1% de outros gases, como argônio ou hélio. Alguns desses elementos são mais pesados ​​que outros. Os elementos mais pesados, como o oxigênio, se depositam na superfície da Terra, enquanto os elementos mais leves são elevados para a região de maior altitude. A maior parte do oxigênio da atmosfera está contida abaixo de 35.000 pés de altitude. 

O ar é um fluido

Quando a maioria das pessoas ouve a palavra “fluido”, geralmente pensa em líquido. No entanto, gases, como o ar, também são fluidos. Os fluidos assumem a forma de seus recipientes. Os fluidos geralmente não resistem à deformação quando mesmo a menor tensão é aplicada, ou resistem apenas ligeiramente. Chamamos isso de viscosidade de resistência leve. Os fluidos também têm a capacidade de fluir. Assim como um líquido flui e enche um recipiente, o ar se expandirá para preencher o volume disponível do recipiente. Tanto os líquidos quanto os gases exibem essas propriedades fluidas únicas, embora difiram muito em densidade. Compreender as propriedades fluidas do ar é essencial para entender os princípios do voo.

Viscosidade

A viscosidade é a propriedade de um fluido que faz com que ele resista ao fluxo. A maneira como as moléculas individuais do fluido tendem a aderir ou grudar umas nas outras determina o quanto um fluido resiste ao fluxo. Fluidos de alta viscosidade são “espessos” e resistem ao fluxo; fluidos de baixa viscosidade são “finos” e fluem facilmente. O ar tem uma viscosidade baixa e flui facilmente. 

Usando dois líquidos como exemplo, quantidades semelhantes de óleo e água despejadas em duas rampas idênticas fluirão em taxas diferentes devido à sua viscosidade diferente. A água parece fluir livremente enquanto o óleo flui muito mais lentamente. 

Como outro exemplo, diferentes tipos de líquidos semelhantes exibirão comportamentos diferentes devido a diferentes viscosidades. A graxa é muito viscosa. Com o tempo, a graxa fluirá, mesmo que a taxa de fluxo seja lenta. O óleo de motor é menos viscoso que a graxa e flui muito mais facilmente, mas é mais viscoso e flui mais lentamente que a gasolina. 

Todos os fluidos são viscosos e têm uma resistência ao escoamento, observando ou não essa resistência. Não podemos observar facilmente a viscosidade do ar. No entanto, como o ar é um fluido e possui propriedades de viscosidade, ele resiste ao fluxo em torno de qualquer objeto até certo ponto. 

Atrito

Outro fator em ação quando um fluido flui sobre ou ao redor de um objeto é chamado de atrito. O atrito é a resistência que uma superfície ou objeto encontra ao se mover sobre outra. O atrito existe entre quaisquer dois materiais que entram em contato um com o outro.

Os efeitos do atrito podem ser demonstrados usando um exemplo semelhante ao anterior. Se fluidos idênticos são despejados em duas rampas idênticas, eles fluem da mesma maneira e na mesma velocidade. Se a superfície de uma rampa for áspera e a outra lisa, o fluxo pelas duas rampas será significativamente diferente. A rampa de superfície rugosa impede o fluxo do fluido devido à resistência da superfície (atrito). É importante lembrar que todas as superfícies, por mais lisas que pareçam, não são lisas em um nível microscópico e impedem o fluxo de um fluido.

A superfície de uma asa, como qualquer outra superfície, tem uma certa rugosidade no nível microscópico. A rugosidade da superfície causa resistência e diminui a velocidade do ar que flui sobre a asa.

Moléculas de ar passam sobre a superfície da asa e realmente aderem (grudam ou se agarram) à superfície por causa do atrito. As moléculas de ar próximas à superfície da asa resistem ao movimento e têm uma velocidade relativa próxima de zero. A rugosidade da superfície impede seu movimento. A camada de moléculas que aderem à superfície da asa é chamada de camada limite. 

Uma vez que a camada limite do ar adere à asa por fricção, maior resistência ao fluxo de ar é causada pela viscosidade, a tendência do ar de aderir a si mesmo. Quando essas duas forças agem juntas para resistir ao fluxo de ar sobre uma asa, isso é chamado de arrasto. 

Pressão 

A pressão é a força aplicada em uma direção perpendicular à superfície de um objeto. Muitas vezes, a pressão é medida em libras de força exercida por polegada quadrada de um objeto, ou PSI. Um objeto completamente imerso em um fluido sentirá pressão uniforme ao redor de toda a superfície do objeto. Se a pressão em uma superfície do objeto se tornar menor que a pressão exercida nas outras superfícies, o objeto se moverá na direção da pressão mais baixa.

Pressão atmosférica 

Embora existam vários tipos de pressão, os pilotos estão preocupados principalmente com a pressão atmosférica. É um dos fatores básicos nas mudanças climáticas, ajuda a levantar uma aeronave e aciona alguns dos importantes instrumentos de voo. Esses instrumentos são o altímetro, o indicador de velocidade no ar, o indicador de velocidade vertical e o medidor de pressão do coletor. 

O ar é muito leve, mas tem massa e é afetado pela atração da gravidade. Portanto, como qualquer outra substância, ela tem peso e, por causa de seu peso, tem força. Como o ar é uma substância fluida, essa força é exercida igualmente em todas as direções. Seu efeito sobre os corpos no ar é chamado de pressão. Sob condições padrão ao nível do mar, a pressão média exercida pelo peso da atmosfera é de aproximadamente 14,70 libras por polegada quadrada (psi) de superfície, ou 1.013,2 milibares (mb). A espessura da atmosfera é limitada; portanto, quanto maior a altitude, menos ar há acima. Por esta razão, o peso da atmosfera a 18.000 pés é metade do que é ao nível do mar. 

A pressão da atmosfera varia com o tempo e a localização. Devido à mudança da pressão atmosférica, uma referência padrão foi desenvolvida. A atmosfera padrão ao nível do mar é uma temperatura de superfície de 59 °F ou 15 °C e uma pressão de superfície de 29,92 polegadas de mercúrio ("Hg) ou 1.013,2 mb.

Uma taxa de lapso de temperatura padrão é quando a temperatura diminui a uma taxa de aproximadamente 3,5 °F ou 2 °C por mil pés até 36.000 pés, que é aproximadamente –65 °F ou –55 °C. Acima deste ponto, a temperatura é considerada constante até 80.000 pés. Uma taxa de lapso de pressão padrão é quando a pressão diminui a uma taxa de aproximadamente 1 "Hg por 1.000 pés de ganho de altitude para 10.000 pés. A Organização de Aviação Civil Internacional (ICAO) estabeleceu isso como um padrão mundial, e muitas vezes é referido como Atmosfera Padrão Internacional (ISA) ou Atmosfera Padrão ICAO Qualquer temperatura ou pressão que difere das taxas de lapso padrão é considerada temperatura e pressão fora do padrão.

Como o desempenho da aeronave é comparado e avaliado em relação à atmosfera padrão, todos os instrumentos da aeronave são calibrados para a atmosfera padrão. A fim de contabilizar adequadamente a atmosfera fora do padrão, certos termos relacionados devem ser definidos.

Altitude de Pressão

A altitude de pressão é a altura acima de um plano de referência padrão (SDP), que é um nível teórico em que o peso da atmosfera é 29,92 "Hg (1.013,2 mb) medido por um barômetro. Um altímetro é essencialmente um barômetro sensível calibrado para indicar a altitude na atmosfera padrão. Se o altímetro estiver ajustado para 29,92 "Hg SDP, a altitude indicada é a altitude pressão. À medida que a pressão atmosférica muda, o SDP pode estar abaixo, no ou acima do nível do mar. A altitude de pressão é importante como base para determinar o desempenho do avião, bem como para atribuir níveis de voo para aviões operando a 18.000 pés ou acima.

A altitude de pressão pode ser determinada por um dos seguintes métodos:  

1. Definir a escala barométrica do altímetro para 29,92 e ler a altitude indicada

2. Aplicando um fator de correção à altitude indicada de acordo com a configuração do altímetro relatada

Altitude Densidade

SDP é uma altitude de pressão teórica, mas as aeronaves operam em uma atmosfera fora do padrão e o termo altitude densidade é usado para correlacionar o desempenho aerodinâmico na atmosfera fora do padrão. A altitude de densidade é a distância vertical acima do nível do mar na atmosfera padrão na qual uma determinada densidade pode ser encontrada. A densidade do ar tem efeitos significativos no desempenho da aeronave porque, à medida que o ar se torna menos denso, reduz:

• Potência porque o motor absorve menos ar

• Impulso porque uma hélice é menos eficiente em ar rarefeito 

• Levante porque o ar rarefeito exerce menos força nos aerofólios

A altitude de densidade é a altitude de pressão corrigida para temperatura fora do padrão. À medida que a densidade do ar aumenta (altitude de densidade mais baixa), o desempenho da aeronave aumenta; inversamente, à medida que a densidade do ar diminui (altitude de densidade mais alta), o desempenho da aeronave diminui. Uma diminuição na densidade do ar significa uma altitude de alta densidade; um aumento na densidade do ar significa uma altitude de densidade mais baixa. A altitude densidade é usada no cálculo do desempenho da aeronave porque, sob condições atmosféricas padrão, o ar em cada nível da atmosfera não apenas possui uma densidade específica, mas sua altitude pressão e altitude densidade identificam o mesmo nível. 

O cálculo da altitude de densidade envolve a consideração de pressão (altitude de pressão) e temperatura. Como os dados de desempenho da aeronave em qualquer nível são baseados na densidade do ar em condições normais de dia, esses dados de desempenho se aplicam a níveis de densidade do ar que podem não ser idênticos às indicações do altímetro. Sob condições superiores ou inferiores ao padrão, esses níveis não podem ser determinados diretamente do altímetro. 

A altitude de densidade é determinada primeiro encontrando a altitude de pressão e, em seguida, corrigindo essa altitude para variações de temperatura fora do padrão. Como a densidade varia diretamente com a pressão e inversamente com a temperatura, uma determinada altitude de pressão pode existir para uma ampla faixa de temperaturas, permitindo que a densidade varie. No entanto, uma densidade conhecida ocorre para qualquer altitude de temperatura e pressão. A densidade do ar tem um efeito pronunciado no desempenho da aeronave e do motor. Independentemente da altitude real da aeronave, ela funcionará como se estivesse operando a uma altitude igual à altitude de densidade existente. 

A densidade do ar é afetada por mudanças de altitude, temperatura e umidade. A altitude de alta densidade refere-se ao ar rarefeito, enquanto a altitude de baixa densidade refere-se ao ar denso. As condições que resultam em uma altitude de alta densidade são altas elevações, baixas pressões atmosféricas, altas temperaturas, alta umidade ou alguma combinação desses fatores. Elevações mais baixas, alta pressão atmosférica, baixas temperaturas e baixa umidade são mais indicativos de altitude de baixa densidade. 

Efeito da pressão na densidade 

Como o ar é um gás, ele pode ser comprimido ou expandido. Quando o ar é comprimido, uma quantidade maior de ar pode ocupar um determinado volume. Por outro lado, quando a pressão em um determinado volume de ar diminui, o ar se expande e ocupa um espaço maior. A uma pressão mais baixa, a coluna original de ar contém uma massa de ar menor. A densidade é diminuída porque a densidade é diretamente proporcional à pressão. Se a pressão for duplicada, a densidade será duplicada; se a pressão é reduzida, a densidade é reduzida. Esta afirmação é verdadeira apenas a uma temperatura constante.

Efeito da Temperatura na Densidade

Aumentar a temperatura de uma substância diminui sua densidade. Por outro lado, diminuir a temperatura aumenta a densidade. Assim, a densidade do ar varia inversamente com a temperatura. Esta afirmação é verdadeira apenas a uma pressão constante.

Na atmosfera, tanto a temperatura quanto a pressão diminuem com a altitude e têm efeitos conflitantes sobre a densidade. No entanto, uma queda bastante rápida na pressão à medida que a altitude aumenta geralmente tem um efeito dominante. Assim, os pilotos podem esperar que a densidade diminua com a altitude. 

Efeito da Umidade (Umidade) na Densidade 

Os parágrafos anteriores referem-se ao ar perfeitamente seco. Na realidade, nunca está completamente seco. A pequena quantidade de vapor d'água em suspensão na atmosfera pode ser quase insignificante sob certas condições, mas em outras condições a umidade pode se tornar um fator importante no desempenho de uma aeronave. O vapor de água é mais leve que o ar; consequentemente, o ar úmido é mais leve que o ar seco. Portanto, à medida que o teor de água do ar aumenta, o ar se torna menos denso, aumentando a altitude de densidade e diminuindo o desempenho. É mais leve ou menos denso quando, em um determinado conjunto de condições, contém a quantidade máxima de vapor de água. 

A umidade, também chamada de umidade relativa, refere-se à quantidade de vapor de água contida na atmosfera e é expressa como uma porcentagem da quantidade máxima de vapor de água que o ar pode conter. Esta quantidade varia com a temperatura. O ar quente retém mais vapor de água, enquanto o ar frio retém menos. O ar perfeitamente seco que não contém vapor de água tem uma umidade relativa de zero por cento, enquanto o ar saturado, que não pode conter mais vapor de água, tem uma umidade relativa de 100 por cento. A umidade por si só geralmente não é considerada um fator importante no cálculo da altitude de densidade e no desempenho da aeronave, mas é um fator contribuinte. 

À medida que a temperatura aumenta, o ar pode conter maiores quantidades de vapor de água. Ao comparar duas massas de ar separadas, a primeira quente e úmida (ambas as qualidades tendendo a clarear o ar) e a segunda fria e seca (ambas as qualidades tornando-o mais pesado), a primeira deve ser menos densa que a segunda. Pressão, temperatura e umidade têm grande influência no desempenho da aeronave devido ao seu efeito sobre a densidade. Não há regras práticas que possam ser facilmente aplicadas, mas o efeito da umidade pode ser determinado usando várias fórmulas online. No primeiro exemplo, a pressão é necessária na altitude para a qual a altitude de densidade está sendo procurada. Usando Figura, selecione a pressão barométrica mais próxima da altitude associada. Como exemplo, a pressão a 8.000 pés é 22,22 "Hg. Usando o site da Administração Nacional Oceânica e Atmosférica (NOAA) (www.srh.noaa.gov) para altitude de densidade, insira 22,22 para 8.000 pés na janela de pressão da estação. Insira uma temperatura de 80° e um ponto de orvalho de 75°. O resultado é uma altitude de densidade de 11.564 pés. Sem umidade, a altitude de densidade seria quase 500 pés mais baixa.