Teoria do Vôo de Aeronaves 

Antes que um técnico possa considerar a realização de manutenção em uma aeronave, é necessário entender as peças que compõem a aeronave. Nomes como fuselagem, empenagem, asa e tantos outros entram em jogo ao descrever o que é um avião e como ele opera. Para helicópteros, nomes como rotor principal, rotor antitorque e autorrotação vêm à mente como uma pequena parte do que precisa ser entendido sobre aeronaves de asas rotativas. O estudo da física, que inclui aerodinâmica básica, é uma parte necessária para entender por que as aeronaves operam dessa maneira.

Quatro Forças de Vôo 

Durante o voo, existem quatro forças atuando em um avião. Essas forças são sustentação, peso, empuxo e arrasto. A sustentação é a força para cima criada pela asa, o peso é a força da gravidade sobre a massa, o empuxo é a força criada pela hélice do avião ou o motor da turbina e o arrasto é o atrito causado pelo ar que flui ao redor do avião. 

Todas essas quatro forças são medidas em libras. Sempre que as forças não estão em equilíbrio, algo na condição do avião está mudando. As possibilidades são as seguintes:

1. Quando um avião está acelerando, ele tem mais empuxo do que arrasto. 

2. Quando um avião está desacelerando, ele tem menos empuxo do que arrasto. 

3. Quando um avião está em velocidade constante, empuxo e arrasto são iguais. 

4. Quando um avião está subindo, ele tem mais sustentação do que peso. 

5. Quando um avião está descendo, ele tem mais peso do que sustentação. 

6. Quando um avião está em altitude constante, sustentação e peso são iguais.  

Princípio de Bernoulli e Fluxo Subsônico 

O conceito básico de fluxo de ar subsônico e os diferenciais de pressão resultantes foram descobertos por Daniel Bernoulli, um físico suíço. O princípio de Bernoulli, como nos referimos hoje, afirma que “à medida que a velocidade de um fluido aumenta, a pressão estática desse fluido diminuirá, desde que não haja energia adicionada ou retirada”. Uma aplicação direta do princípio de Bernoulli é o estudo do ar à medida que flui através de uma passagem convergente ou divergente, e relacionar as descobertas a alguns conceitos de aviação.

Uma forma convergente é aquela cuja área da seção transversal fica progressivamente menor da entrada à saída. Uma forma divergente é exatamente o oposto, com a área da seção transversal ficando maior da entrada à saída. A figura mostra um duto de formato convergente, com o ar entrando pela esquerda em velocidade subsônica e saindo pela direita. Observe que o ar sai com uma velocidade aumentada e uma pressão estática diminuída ao olhar para os medidores de pressão e velocidade, e a velocidade e pressão indicadas. A unidade que sai deve aumentar sua velocidade à medida que flui para um espaço menor, porque uma unidade de ar deve sair do duto quando outra unidade entra.  

Em um duto divergente, aconteceria exatamente o oposto. Do ponto de entrada ao ponto de saída, o duto está se espalhando e a área está ficando maior. Com o aumento da área da seção transversal, a velocidade do ar diminui e a pressão estática aumenta. A energia total no ar não mudou. O que foi perdido em velocidade, que é energia cinética, é ganho em pressão estática, que é energia potencial. 

Na parte convergente do venturi, a velocidade aumentaria e a pressão estática diminuiria. A mesma coisa aconteceria com o ar fluindo ao redor da asa, com a velocidade no topo aumentando e a pressão estática diminuindo.

Parte do ar passa por cima da asa e parte viaja pela parte inferior. O ar que passa por cima, por causa da curvatura, tem que viajar mais longe. Com uma distância maior para viajar, o ar que passa por cima deve se mover a uma velocidade maior. A maior velocidade na parte superior faz com que a pressão estática na parte superior seja menor do que na parte inferior, e essa diferença nas pressões estáticas é o que cria a sustentação.

Elevação e Terceira Lei de Newton 

A terceira lei de Newton identifica que para cada força existe uma força de reação igual e oposta. Além do princípio de Bernoulli, a terceira lei de Newton também pode ser usada para explicar a sustentação criada por uma asa. À medida que o ar viaja em torno de uma asa e deixa o bordo de fuga, o ar é forçado a se mover para baixo. Como é necessária uma força para fazer algo mudar de direção, deve haver uma força de reação igual e oposta. Neste caso, a força de reação é o que chamamos de sustentação. Para calcular a sustentação com base na terceira lei de Newton,

A segunda lei de Newton e a fórmula “Força = Massa × Aceleração” seriam usadas. A massa seria o peso do ar fluindo sobre a asa a cada segundo, e a aceleração seria a mudança na velocidade que a asa transmite ao ar.

A sustentação na asa, conforme descrito pelo princípio de Bernoulli, e a sustentação na asa, conforme descrito pela terceira lei de Newton, não são separadas ou independentes uma da outra. São apenas duas maneiras diferentes de descrever a mesma coisa, ou seja, a sustentação em uma asa.

Aerofólios 

Um aerofólio é qualquer dispositivo que cria uma força, com base nos princípios de Bernoulli ou nas leis de Newton, quando o ar flui sobre a superfície do dispositivo. Um aerofólio pode ser a asa de um avião, a pá de uma hélice, a pá do rotor de um helicóptero ou a pá do ventilador de um motor turbofan. A asa de um avião se move no ar porque o avião está em movimento e gera sustentação pelo processo descrito anteriormente. Em comparação, uma pá de hélice, pá de rotor de helicóptero ou pá de ventilador de motor turbofan gira pelo ar. Essas pás rotativas podem ser chamadas de asas rotativas, como é comum em helicópteros quando são chamados de aeronaves de asa rotativa. A asa rotativa pode ser vista como um dispositivo que cria sustentação ou, da mesma forma, pode ser vista como um dispositivo que cria empuxo. 

Camber 

A curvatura de uma asa é a curvatura que está presente nas superfícies superior e inferior. A curvatura na parte superior é muito mais pronunciada, a menos que a asa seja um aerofólio simétrico, que tenha a mesma curvatura superior e inferior. A parte inferior da asa, na maioria das vezes, é relativamente plana. O aumento da curvatura no topo é o que faz com que a velocidade do ar aumente e a pressão estática diminua. A parte inferior da asa tem menos velocidade e mais pressão estática, razão pela qual a asa gera sustentação.

Linha de acordes 

A linha de corda é uma linha reta imaginária que vai do bordo de ataque da asa até o bordo de fuga. O ângulo entre a linha da corda e o eixo longitudinal do avião é conhecido como ângulo de incidência.  

Vento Relativo 

O vento relativo é uma relação entre a direção do fluxo de ar e a asa da aeronave. Em circunstâncias normais de voo, o vento relativo é a direção oposta da trajetória de voo da aeronave. 

• Se a trajetória de voo for para frente, o vento relativo será para trás. 

• Se a trajetória de voo for para frente e para cima, então o vento relativo é para trás e para baixo. 

• Se a trajetória de voo for para frente e para baixo, então o vento relativo é para trás e para cima. 

Portanto, o vento relativo é paralelo à trajetória de voo e viaja na direção oposta.

Ângulo de ataque 

O ângulo entre a linha da corda e o vento relativo é o ângulo de ataque. À medida que o ângulo de ataque aumenta, a sustentação na asa aumenta. Se o ângulo de ataque se tornar muito grande, o fluxo de ar pode se separar da asa e a sustentação será destruída. Quando isso ocorre, ocorre uma condição conhecida como estol.

Existem várias formas diferentes, conhecidas como planforms, que uma asa pode ter. Uma asa em forma de retângulo é muito comum em pequenos aviões da aviação geral. Uma forma elíptica ou asa cônica também podem ser usadas, mas estas não possuem uma característica de estol tão desejável. Para aviões que operam em altas velocidades subsônicas, as asas inclinadas são comuns e, para voos supersônicos, uma forma de delta pode ser usada.

A razão de aspecto de uma asa é a relação entre sua envergadura, ou uma medida de ponta de asa para ponta de asa, e a corda da asa. Se uma asa tem uma envergadura longa e uma corda muito estreita, diz-se que ela tem uma alta proporção. Uma proporção de aspecto mais alta produz menos arrasto para uma determinada velocidade de voo e normalmente é encontrada em aeronaves do tipo planador.

O ângulo de incidência de uma asa é o ângulo formado pela interseção da linha da corda da asa com o plano horizontal que passa pelo eixo longitudinal da aeronave. Muitos aviões são projetados com um ângulo de incidência maior na raiz da asa do que na ponta, e isso é chamado de washout. Esse recurso faz com que a parte interna da asa estole antes da parte externa, o que ajuda a manter o controle do aileron durante os estágios iniciais de uma estol da asa. 

Fluxo de ar da camada limite 

A camada limite é uma camada muito fina de ar sobre a superfície da asa e, por isso, todas as outras superfícies do avião. Como o ar tem viscosidade, essa camada de ar tende a aderir à asa. À medida que a asa se move para frente através do ar, a camada limite inicialmente flui suavemente sobre a forma aerodinâmica do aerofólio. Aqui o fluxo é chamado de camada laminar.  

À medida que a camada limite se aproxima do centro da asa, ela começa a perder velocidade devido ao atrito da pele e torna-se mais espessa e turbulenta. Aqui é chamada de camada turbulenta. O ponto em que a camada limite muda de laminar para turbulenta é chamado de ponto de transição. Onde a camada limite se torna turbulenta, o arrasto devido ao atrito da pele é relativamente alto. À medida que a velocidade aumenta, o ponto de transição tende a avançar. À medida que o ângulo de ataque aumenta, o ponto de transição também tende a avançar. Com ângulos de ataque mais altos e maior espessamento da camada limite, a turbulência se torna tão grande que o ar se separa da superfície da asa. Neste ponto, a sustentação da asa é destruída e ocorre uma condição conhecida como estol. 

Vórtices de ponta de asa 

Os vórtices nas pontas das asas são causados ​​pelo ar abaixo da asa, que está na pressão mais alta, fluindo sobre a ponta da asa e subindo em direção ao topo da asa. O resultado final é uma espiral ou vórtice que fica atrás da ponta da asa sempre que a elevação está sendo produzida. Esse vórtice também é conhecido como esteira de turbulência e é um fator significativo para determinar o quão perto um avião pode seguir outro na aproximação para terra. A esteira de turbulência de um avião grande pode fazer com que um avião menor, se estiver seguindo muito de perto, fique fora de controle.

Upwash e downwash referem-se ao efeito que um aerofólio tem na corrente de ar livre. Upwash é a deflexão da corrente de ar que se aproxima, fazendo com que ela flua para cima e sobre a asa. Downwash é a deflexão para baixo da corrente de ar depois de passar sobre a asa e deixar o bordo de fuga. Essa deflexão para baixo é o que cria a ação e a reação descritas na sustentação e na terceira lei de Newton.

Eixos de uma aeronave 

Um avião em voo é controlado em torno de um ou mais dos três eixos de rotação. Esses eixos de rotação são o longitudinal, lateral e vertical. No avião, todos os três eixos se cruzam no centro de gravidade. À medida que o avião gira em um desses eixos, ele gira em torno do centro de gravidade (CG). O centro de gravidade também é chamado de centro de rotação.

Estabilidade da aeronave 

Quando um avião está em vôo reto e nivelado com velocidade constante, todas as forças que atuam sobre o avião estão em equilíbrio. Se esse voo reto e nivelado for interrompido por uma perturbação no ar, como esteira de turbulência, o avião pode se inclinar para cima ou para baixo, guinar para a esquerda ou para a direita ou entrar em rolagem. Se o avião tem o que é caracterizado como estabilidade, uma vez que a perturbação passa, o avião volta ao estado de equilíbrio. 

Superfícies de Controle de Voo 

O objetivo dos controles de voo é permitir que o piloto manobre o avião e o controle desde o momento em que ele inicia a decolagem até o pouso e a parada segura. Os controles de voo são normalmente associados à asa e aos estabilizadores verticais e horizontais, porque essas são as partes do avião às quais os controles de voo se conectam com mais frequência. Em voo, e até certo ponto no solo, os controles de voo fornecem ao avião a capacidade de se mover em torno de um ou mais dos três eixos. Os controles de voo funcionam alterando a forma ou as características aerodinâmicas da superfície à qual estão ligados.  

Aerodinâmica do Helicóptero 

O helicóptero, como o conhecemos hoje, se enquadra na classificação conhecida como helicóptero. Rotorcraft também é conhecido como aeronave de asa rotativa, porque em vez de sua asa ser fixa como em um avião, a asa gira. A asa rotativa de uma aeronave de asa rotativa pode ser pensada como um dispositivo de produção de sustentação, como a asa de um avião, ou como um dispositivo de produção de empuxo, como a hélice de um motor a pistão.  

Eixos de Voo de Helicóptero 

Helicópteros, como aviões, têm um eixo vertical, lateral e longitudinal que passa pelo centro de gravidade do helicóptero. Os helicópteros giram em torno do eixo vertical, arremessam em torno do eixo lateral e giram em torno do eixo longitudinal. Todos os três eixos se cruzarão no centro de gravidade do helicóptero, e o helicóptero gira em torno deste ponto. Observe na figura que o eixo vertical passa quase pelo centro do rotor principal, pois o centro de gravidade do helicóptero precisa estar bem próximo a este ponto. 

Controle de mudança de peso, aerodinâmica de aeronaves de asa flexível 

Uma aeronave do tipo asa flexível de controle de mudança de peso consiste em uma asa coberta de tecido, muitas vezes chamada de vela, anexada a uma estrutura tubular que possui rodas, assentos e um motor e hélice. A estrutura da asa também é tubular, com a cobertura de tecido criando a forma de aerofólio. A forma da asa varia entre os diferentes modelos de aeronaves de controle de deslocamento de peso que estão sendo produzidos, mas uma asa em forma de delta é um projeto muito popular. Dentro da comunidade de aeronaves de controle de mudança de peso, essas aeronaves são normalmente chamadas de trikes. 

Aerodinâmica de pára-quedas motorizado 

Um pára-quedas motorizado tem uma carruagem muito semelhante à aeronave de controle de mudança de peso. Sua asa, no entanto, não possui estrutura de sustentação ou rigidez e só assume a forma de um aerofólio quando é inflada pela rajada de ar da hélice e pela velocidade de avanço da aeronave, um pára-quedas motorizado está em sua aproximação para pousar com a asa totalmente inflada e subindo acima da aeronave. Cada seção colorida da asa inflada é composta de células que são abertas na frente para permitir a entrada de ar e fechadas na parte de trás para manter o ar preso no interior. Entre todas as células existem orifícios que permitem que o ar flua de uma célula para a outra, a fim de equalizar a pressão dentro da asa inflada. A asa é presa ao transporte da aeronave por um grande número de linhas de nylon ou Kevlar que vão das pontas da asa até o centro. O peso da aeronave agindo sobre essas linhas e seus comprimentos individuais fazem com que a asa inflada tome sua forma. As linhas se conectam ao corpo da aeronave em um local muito próximo de onde o centro de gravidade está localizado, e esse ponto de fixação é ajustável para levar em conta as mudanças de equilíbrio com ocupantes de pesos variados.