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:
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:
- Pressão
, atuando normal à superfície. - Tensão de cisalhamento
, atuando tangencialmente à superfície.
Passo 3
Para obter a força total
resultante do fluido sobre o aerofólio fazemos a soma vetorial (integral) dessas contribuições ao longo de toda a área
do perfil:
onde
é o vetor normal externo à superfície e
o vetor tangencial.
Depois de calcular , decompomos essa força em componentes convenientes ao referencial de voo:
Depois de calcular
– Sustentação
: componente de
perpendicular à corrente de ar.
– Arrasto : componente de
paralela à corrente de ar (resistência ao avanço).
– Momento de arfagem (pitching moment): resultante do braço de alavanca das distribuições de pressão e cisalhamento.
– Arrasto
– 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),
– 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.