Forças aerodinâmicas em manobras de voo
Forças em turnos
Se uma aeronave fosse vista em vôo reto e nivelado de frente, e se as forças que atuam na aeronave pudessem ser vistas, sustentação e peso seriam aparentes: duas forças. Se a aeronave estivesse em um banco, seria evidente que a sustentação não agia diretamente oposta ao peso, mas agora atua na direção do banco. Uma verdade básica sobre curvas é que quando a aeronave inclina, a sustentação atua para dentro em direção ao centro da curva, perpendicular ao eixo lateral e também para cima.
A Primeira Lei do Movimento de Newton, a Lei da Inércia, afirma que um objeto em repouso ou movendo-se em linha reta permanece em repouso ou continua a se mover em linha reta até que alguma outra força aja. Uma aeronave, como qualquer objeto em movimento, requer uma força lateral para fazê-la girar. Em uma curva normal, essa força é fornecida inclinando a aeronave de modo que a sustentação seja exercida para dentro e para cima. A força de sustentação durante uma curva é separada em dois componentes perpendiculares entre si. Um componente, que atua verticalmente e oposto ao peso (gravidade), é chamado de “componente vertical de sustentação”. A outra, que atua horizontalmente em direção ao centro da curva, é chamada de “componente horizontal de sustentação” ou força centrípeta. A componente horizontal da sustentação é a força que puxa a aeronave de uma trajetória de voo reta para fazê-la girar. A força centrífuga é a “reação igual e oposta” da aeronave à mudança de direção e atua de forma igual e oposta ao componente horizontal da sustentação. Isso explica porque, em uma curva executada corretamente, a força que gira a aeronave não é fornecida pelo leme. O leme é usado para corrigir qualquer desvio entre a trajetória reta do nariz e da cauda da aeronave em relação ao vento relativo. Uma boa curva é aquela em que o nariz e a cauda da aeronave seguem o mesmo caminho. Se nenhum leme for usado em uma curva, o nariz da aeronave guina para fora da curva. O leme é usado rolando na curva para trazer o nariz de volta ao alinhamento com o vento relativo. Uma vez na curva, o leme não deve ser necessário. a força que gira a aeronave não é fornecida pelo leme. O leme é usado para corrigir qualquer desvio entre a trajetória reta do nariz e da cauda da aeronave em relação ao vento relativo. Uma boa curva é aquela em que o nariz e a cauda da aeronave seguem o mesmo caminho. Se nenhum leme for usado em uma curva, o nariz da aeronave guina para fora da curva. O leme é usado rolando na curva para trazer o nariz de volta ao alinhamento com o vento relativo. Uma vez na curva, o leme não deve ser necessário. a força que gira a aeronave não é fornecida pelo leme. O leme é usado para corrigir qualquer desvio entre a trajetória reta do nariz e da cauda da aeronave em relação ao vento relativo. Uma boa curva é aquela em que o nariz e a cauda da aeronave seguem o mesmo caminho. Se nenhum leme for usado em uma curva, o nariz da aeronave guina para fora da curva. O leme é usado rolando na curva para trazer o nariz de volta ao alinhamento com o vento relativo. Uma vez na curva, o leme não deve ser necessário. o nariz da aeronave guina para o lado de fora da curva. O leme é usado rolando na curva para trazer o nariz de volta ao alinhamento com o vento relativo. Uma vez na curva, o leme não deve ser necessário. o nariz da aeronave guina para o lado de fora da curva. O leme é usado rolando na curva para trazer o nariz de volta ao alinhamento com o vento relativo. Uma vez na curva, o leme não deve ser necessário.
Uma aeronave não é dirigida como um barco ou um automóvel. Para que uma aeronave gire, ela deve ser inclinada. Se não estiver inclinado, não há força disponível para fazer com que ele se desvie de uma trajetória de voo reta. Por outro lado, quando uma aeronave está inclinada, ela gira desde que não esteja deslizando para dentro da curva. Um bom controle direcional é baseado no fato de que a aeronave tenta virar sempre que está inclinada. Os pilotos devem manter este fato em mente ao tentar manter a aeronave em vôo reto e nivelado.
Meramente inclinar a aeronave em uma curva não produz nenhuma mudança na quantidade total de sustentação desenvolvida. Como a sustentação durante a inclinação é dividida em componentes verticais e horizontais, a quantidade de sustentação oposta à gravidade e suportando o peso da aeronave é reduzida. Consequentemente, a aeronave perde altitude a menos que seja criada sustentação adicional. Isso é feito aumentando o AOA até que o componente vertical da sustentação seja novamente igual ao peso. Como o componente vertical da sustentação diminui à medida que o ângulo de inclinação aumenta, o AOA deve ser progressivamente aumentado para produzir sustentação vertical suficiente para suportar o peso da aeronave. Um fato importante para os pilotos lembrarem ao fazer curvas de altitude constante é que o componente vertical da sustentação deve ser igual ao peso para manter a altitude.
A uma dada velocidade do ar, a taxa na qual uma aeronave gira depende da magnitude do componente horizontal da sustentação. Verifica-se que o componente horizontal da sustentação é proporcional ao ângulo de inclinação, ou seja, aumenta ou diminui, respectivamente, à medida que o ângulo de inclinação aumenta ou diminui. À medida que o ângulo de inclinação é aumentado, o componente horizontal da sustentação aumenta, aumentando assim a taxa de giro (ROT). Consequentemente, em qualquer velocidade do ar, o ROT pode ser controlado ajustando o ângulo de inclinação.
Para fornecer um componente vertical de sustentação suficiente para manter a altitude em uma curva nivelada, é necessário um aumento no AOA. Como o arrasto do aerofólio é diretamente proporcional ao seu AOA, o arrasto induzido aumenta à medida que a sustentação aumenta. Isso, por sua vez, causa uma perda de velocidade no ar proporcional ao ângulo de inclinação. Um pequeno ângulo de inclinação resulta em uma pequena redução na velocidade do ar, enquanto um grande ângulo de inclinação resulta em uma grande redução na velocidade do ar. Empuxo adicional (potência) deve ser aplicado para evitar uma redução na velocidade do ar em curvas de nível. A quantidade necessária de impulso adicional é proporcional ao ângulo de inclinação.
Para compensar a sustentação adicional, que resultaria se a velocidade do ar fosse aumentada durante uma curva, o AOA deve ser diminuído, ou o ângulo de inclinação aumentado, se uma altitude constante deve ser mantida. Se o ângulo de inclinação é mantido constante e o AOA diminui, o ROT diminui. Para manter um ROT constante à medida que a velocidade do ar aumenta, o AOA deve permanecer constante e o ângulo de inclinação aumentado.
Um aumento na velocidade do ar resulta em um aumento do raio da curva, e a força centrífuga é diretamente proporcional ao raio da curva. Em uma curva executada corretamente, a componente horizontal da sustentação deve ser exatamente igual e oposta à força centrífuga. À medida que a velocidade do ar é aumentada em uma curva de nível de taxa constante, o raio da curva aumenta. Este aumento no raio de giro provoca um aumento na força centrífuga, que deve ser equilibrada por um aumento na componente horizontal de sustentação, que só pode ser aumentada aumentando o ângulo de inclinação.
Em uma curva escorregadia, a aeronave não está girando na razão apropriada para a inclinação que está sendo usada, uma vez que a aeronave está guinada para fora da trajetória de giro. A aeronave está inclinada demais para o ROT, então o componente de sustentação horizontal é maior que a força centrífuga. O equilíbrio entre o componente de sustentação horizontal e a força centrífuga é restabelecido pela diminuição da inclinação, pelo aumento da ROT ou pela combinação das duas mudanças.
Uma curva de derrapagem resulta de um excesso de força centrífuga sobre o componente de sustentação horizontal, puxando a aeronave para fora da curva. O ROT é muito grande para o ângulo de inclinação. A correção de uma curva de derrapagem envolve uma redução no ROT, um aumento no banco ou uma combinação das duas mudanças.
Para manter um determinado ROT, o ângulo de inclinação deve ser variado com a velocidade do ar. Isso se torna particularmente importante em aeronaves de alta velocidade. Por exemplo, a 400 milhas por hora (mph), uma aeronave deve ser inclinada aproximadamente 44° para executar uma curva de taxa padrão (3° por segundo). Nesse ângulo de inclinação, apenas cerca de 79% da sustentação da aeronave compreende o componente vertical da sustentação. Isso causa uma perda de altitude, a menos que o AOA seja aumentado o suficiente para compensar a perda de sustentação vertical.
Forças em Escaladas
Para todos os propósitos práticos, a sustentação da asa em uma subida normal em regime permanente é a mesma que em um vôo nivelado constante na mesma velocidade do ar. Embora a trajetória de voo da aeronave tenha mudado quando a subida foi estabelecida, o AOA da asa em relação à trajetória de voo inclinada reverte para praticamente os mesmos valores, assim como a sustentação. Há uma mudança momentânea inicial como mostrado na Figura. Durante a transição do voo reto e nivelado para uma subida, ocorre uma mudança na sustentação quando a pressão do elevador traseiro é aplicada pela primeira vez. Levantar o nariz da aeronave aumenta o AOA e aumenta momentaneamente a sustentação. A sustentação neste momento agora é maior que o peso e inicia a subida da aeronave. Depois que a trajetória de voo é estabilizada na inclinação ascendente, o AOA e a sustentação revertem novamente para os valores de voo nivelado.
Se a subida for iniciada sem alteração na configuração de potência, a velocidade no ar diminui gradualmente porque o empuxo necessário para manter uma determinada velocidade no ar em voo nivelado é insuficiente para manter a mesma velocidade no ar em uma subida. Quando a trajetória de voo é inclinada para cima, um componente do peso da aeronave atua na mesma direção e paralelamente ao arrasto total da aeronave, aumentando assim o arrasto efetivo total. Consequentemente, o arrasto efetivo total é maior que a potência e a velocidade do ar diminui. A redução na velocidade do ar gradualmente resulta em uma diminuição correspondente no arrasto até que o arrasto total (incluindo o componente de peso atuando na mesma direção) seja igual ao empuxo. Devido ao impulso, a mudança na velocidade do ar é gradual, variando consideravelmente com diferenças no tamanho da aeronave, peso, arrasto total e outros fatores.
Geralmente, as forças de empuxo e arrasto, e sustentação e peso, novamente se equilibram quando a velocidade do ar se estabiliza, mas em um valor menor do que em vôo reto e nivelado com a mesma configuração de potência. Uma vez que o peso da aeronave está agindo não apenas para baixo, mas para trás com arrasto durante uma subida, é necessária potência adicional para manter a mesma velocidade do ar em vôo nivelado. A quantidade de energia depende do ângulo de subida. Quando a subida é íngreme o suficiente para que não haja energia suficiente disponível, o resultado é uma velocidade mais lenta.
O empuxo necessário para uma subida estabilizada é igual ao arrasto mais uma porcentagem do peso dependente do ângulo de subida. Por exemplo, uma subida de 10° exigiria empuxo para igualar o arrasto mais 17% do peso. Subir em linha reta exigiria empuxo para igualar todo o peso e arrasto. Portanto, o ângulo de subida para o desempenho da subida depende da quantidade de empuxo em excesso disponível para superar uma parte do peso. Observe que as aeronaves são capazes de sustentar uma subida devido ao excesso de empuxo. Quando o excesso de empuxo acaba, a aeronave não consegue mais subir. Neste ponto, a aeronave atingiu seu “teto absoluto”.
Forças em descidas
Como nas subidas, as forças que atuam sobre a aeronave passam por mudanças definidas quando se entra em uma descida de voo reto e nivelado. Para o exemplo a seguir, a aeronave está descendo com a mesma potência usada no vôo reto e nivelado.
À medida que a pressão de avanço é aplicada ao manche de controle para iniciar a descida, o AOA diminui momentaneamente. Inicialmente, o impulso da aeronave faz com que a aeronave continue brevemente ao longo da mesma trajetória de voo. Para este instante, o AOA diminui fazendo com que a sustentação total diminua. Com o peso agora sendo maior que a sustentação, a aeronave começa a descer. Ao mesmo tempo, a trajetória de voo vai do nível para uma trajetória de voo descendente. Não confunda uma redução na sustentação com a incapacidade de gerar sustentação suficiente para manter o voo nivelado. A trajetória de voo está sendo manipulada com empuxo disponível em reserva e com o profundor.
Para descer na mesma velocidade do ar usada em vôo reto e nivelado, a potência deve ser reduzida à medida que a descida é iniciada. Ao entrar na descida, a componente de peso que atua ao longo da trajetória de voo aumenta à medida que o ângulo de descida aumenta e, inversamente, ao nivelar, a componente de peso que atua ao longo da trajetória de voo diminui à medida que o ângulo de descida diminui.
