Qual a função dos aerofólios numa aeronave? E quais as forças que atuam sobre a superfície do aerofólio?

Passo 1

O enunciado pergunta qual é o papel dos aerofólios numa aeronave (ou seja, por que damos a forma de “asa” a essa superfície) e pede também para listar as forças que atuam sobre a sua superfície. Para responder precisamos recorrer aos conceitos básicos de aerodinâmica: geração de sustentação pela diferença de pressão e decomposição das forças fluidodinâmicas em componentes normais e tangenciais.

Passo 2

A função principal do aerofólio é gerar sustentação (lift) suficiente para equilibrar o peso da aeronave. Para isso ele tem um perfil assimétrico (em geral mais curvo em cima) que, ao interagir com o escoamento de ar, cria uma diferença de pressão entre as superfícies superior e inferior. Pela segunda lei de Newton, essa diferença de pressão resulta numa força para cima, que chamamos de sustentação.
Do ponto de vista do escoamento, o aerofólio desvia as linhas de corrente para baixo (ação) e, em reação, o ar exerce sobre ele uma força para cima. Simultaneamente, há formação de uma camada limite e arrasto viscoso. Assim, no contorno do aerofólio atuam dois tipos de esforços elementares:
  1. Pressão p, atuando normal à superfície.
  2. Tensão de cisalhamento \tau, atuando tangencialmente à superfície.

Passo 3

Para obter a força total \vec{R} resultante do fluido sobre o aerofólio fazemos a soma vetorial (integral) dessas contribuições ao longo de toda a área S do perfil:
\vec{R} \;=\; \iint_{S}\Bigl(-p\,\hat{n} \;+\;\tau\,\hat{t}\Bigr)\,dS
onde \hat{n} é o vetor normal externo à superfície e \hat{t} o vetor tangencial.
Depois de calcular \vec{R}, decompomos essa força em componentes convenientes ao referencial de voo:
– Sustentação \vec{L}: componente de \vec{R} perpendicular à corrente de ar.
– Arrasto \vec{D}: componente de \vec{R} paralela à corrente de ar (resistência ao avanço).
– Momento de arfagem (pitching moment): resultante do braço de alavanca das distribuições de pressão e cisalhamento.

Resposta

A função do aerofólio é gerar sustentação, desviando o ar para baixo e criando uma diferença de pressão entre as faces superior e inferior que equilibra o peso da aeronave. Sobre a sua superfície atuam:
– forças de pressão (normais ao perfil),
– forças de tensão de cisalhamento (viscosas, tangenciais),
cuja soma vetorial produz as componentes aerodinâmicas fundamentais: sustentação, arrasto e momento.

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