Esta força de arrasto ocorre em aviões devido às asas ou um corpo de sustentação redirecionando o ar para causar sustentação, e em carros com asas de aerofólio que redirecionam o ar para causar downforce. Samuel Langley notou que as placas mais planas e de maior proporção tinham maior sustentação e menor arrasto e foram introduzidas em 1902. Sem a invenção da qualidade aerodinâmica da aeronave, o design moderno da aeronave seria impossível.
Levantar e mover
A força aerodinâmica total que atua sobre um corpo é geralmente considerada como consistindo de dois componentes: sustentação e deslocamento. Por definição, a componente de força paralela ao contrafluxo é chamada de deslocamento, enquanto a componente perpendicular ao contrafluxo é chamada de sustentação.
Esses fundamentos da aerodinâmica são de grande importância para a análise da qualidade aerodinâmica da asa. A sustentação é produzida alterando a direção do fluxo ao redor da asa. Mudardireção resulta em uma mudança na velocidade (mesmo que não haja mudança na velocidade, como visto no movimento circular uniforme), que é a aceleração. Portanto, para mudar a direção do fluxo, uma força é necessária para ser aplicada ao fluido. Isso é claramente visível em qualquer aeronave, basta olhar para a representação esquemática da qualidade aerodinâmica do An-2.
Mas nem tudo é tão simples. Continuando o tema da qualidade aerodinâmica de uma asa, vale a pena notar que a criação de sustentação aérea abaixo dela está a uma pressão mais alta do que a pressão do ar acima dela. Em uma asa de vão finito, essa diferença de pressão faz com que o ar flua da raiz da asa de superfície inferior para a base de sua superfície superior. Este fluxo de ar voador combina com o fluxo de ar para causar uma mudança na velocidade e direção que torce o fluxo de ar e cria vórtices ao longo da borda de fuga da asa. Os vórtices criados são instáveis, eles rapidamente se combinam para criar vórtices nas asas. Os vórtices resultantes alteram a velocidade e a direção do fluxo de ar atrás do bordo de fuga, desviando-o para baixo e causando um flape atrás da asa. Deste ponto de vista, por exemplo, a aeronave MS-21 tem um alto nível de relação sustentação-arrasto.
Controle de fluxo de ar
Os vórtices, por sua vez, alteram o fluxo de ar ao redor da asa, reduzindo a capacidade da asa de gerar sustentação, por isso requer um ângulo de ataque maior para a mesma sustentação, o que inclina a força aerodinâmica total para trás e aumenta o componente de arrasto da asa essa força. O desvio angular é desprezívelafeta a sustentação. No entanto, há um aumento no arrasto igual ao produto da sustentação e o ângulo devido ao qual ela se desvia. Como a deflexão é em si uma função da sustentação, o arrasto adicional é proporcional ao ângulo de subida, o que pode ser visto claramente na aerodinâmica do A320.
Exemplos históricos
Uma asa planetária retangular cria mais vibrações de vórtice do que uma asa cônica ou elíptica, razão pela qual muitas asas modernas são afuniladas para melhorar a relação sustentação-arrasto. No entanto, a estrutura elíptica é mais eficiente, pois a lavagem induzida (e, portanto, o ângulo de ataque efetivo) é constante em toda a extensão das asas. Devido a complicações de fabricação, poucas aeronaves possuem este plano, sendo os exemplos mais famosos o Spitfire da Segunda Guerra Mundial e o Thunderbolt. Asas cônicas com bordas retas de ataque e fuga podem se aproximar de uma distribuição de sustentação elíptica. Como regra geral, asas retas e não cônicas produzem 5% e asas cônicas produzem 1-2% mais arrasto induzido do que uma asa elíptica. Portanto, possuem melhor qualidade aerodinâmica.
Proporcionalidade
Uma asa de alta proporção produzirá menos arrasto induzido do que uma asa de baixa proporção porque há menos perturbação do ar na ponta de uma asa mais longa e fina. Portanto, o induzidoa resistência pode ser inversamente proporcional à proporcionalidade, por mais paradoxal que possa parecer. A distribuição de sustentação também pode ser alterada lavando, girando a asa para reduzir a queda em direção às asas e mudando o aerofólio próximo às asas. Isso permite que você obtenha mais sustentação mais perto da raiz da asa e menos da asa, o que leva a uma diminuição na força dos vórtices da asa e, consequentemente, a uma melhora na qualidade aerodinâmica da aeronave.
Na história do design de aeronaves
Em algumas aeronaves antigas, as barbatanas eram montadas nas pontas das caudas. Aeronaves posteriores têm um formato de asa diferente para reduzir a intensidade dos vórtices e alcançar a máxima relação sustentação-arrasto.
Os tanques de combustível do rotor no teto também podem fornecer algum benefício, evitando o fluxo de ar caótico ao redor da asa. Agora eles são usados em muitas aeronaves. A qualidade aerodinâmica do DC-10 foi merecidamente considerada revolucionária a esse respeito. No entanto, o mercado de aviação moderno foi reabastecido há muito tempo com modelos muito mais avançados.
Fórmula de arrastar para arrastar: explicada em termos simples
Para calcular a resistência total é necessário levar em conta a chamada resistência parasita. Como o arrasto induzido é inversamente proporcional ao quadrado da velocidade do ar (em uma determinada sustentação), enquanto o arrasto parasita é diretamente proporcional a ele, a curva de arrasto geral mostra a velocidade mínima. Avião,voando a tal velocidade, opera com ótimas qualidades aerodinâmicas. De acordo com as equações acima, a velocidade de resistência mínima ocorre a uma velocidade na qual a resistência induzida é igual à resistência parasita. Esta é a velocidade na qual o ângulo de deslizamento ideal é alcançado para aeronaves ociosas. Para não ser infundado, considere a fórmula no exemplo de uma aeronave:
A continuação da fórmula também é bastante curiosa (foto abaixo). Voar mais alto, onde o ar é mais rarefeito, aumentará a velocidade em que ocorre o arrasto mínimo e, portanto, permite viagens mais rápidas na mesma quantidade de combustível.
Se uma aeronave voar em sua velocidade máxima permitida, então a altitude na qual a densidade do ar fornecerá a melhor qualidade aerodinâmica. A altitude ideal na velocidade máxima e a velocidade ideal na altitude máxima podem mudar durante o voo.
Vigor
Velocidade para resistência máxima (ou seja, tempo no ar) é a velocidade para consumo mínimo de combustível e menor velocidade para alcance máximo. O consumo de combustível é calculado como o produto da potência necessária e o consumo específico de combustível por motor (consumo de combustível por unidade de potência). A potência necessária é igual ao tempo de arraste.
Histórico
O desenvolvimento da aerodinâmica moderna começou apenas no século XVIIséculos, mas as forças aerodinâmicas têm sido usadas pelos humanos há milhares de anos em veleiros e moinhos de vento, e imagens e histórias de voo aparecem em todos os documentos históricos e obras de arte, como a antiga lenda grega de Ícaro e Dédalo. Os conceitos fundamentais de continuum, resistência e gradientes de pressão aparecem na obra de Aristóteles e Arquimedes.
Em 1726, Sir Isaac Newton tornou-se a primeira pessoa a desenvolver a teoria da resistência do ar, tornando-se um dos primeiros argumentos sobre qualidades aerodinâmicas. O matemático holandês-suíço Daniel Bernoulli escreveu um tratado em 1738 chamado Hydrodynamica no qual descreveu a relação fundamental entre pressão, densidade e velocidade de fluxo para fluxo incompressível, conhecido hoje como princípio de Bernoulli, que fornece um método para calcular a sustentação aerodinâmica. Em 1757, Leonhard Euler publicou as equações de Euler mais gerais, que podem ser aplicadas a escoamentos compressíveis e incompressíveis. As equações de Euler foram estendidas para incluir os efeitos da viscosidade na primeira metade do século XIX, dando origem às equações de Navier-Stokes. O desempenho aerodinâmico/qualidade aerodinâmica do polar foi descoberto na mesma época.
Com base nesses eventos, bem como em pesquisas feitas em seu próprio túnel de vento, os irmãos Wright voaram o primeiro avião em 17 de dezembro de 1903.
Tipos de aerodinâmica
Problemas aerodinâmicos são classificados por condições de fluxo ou propriedades de fluxo, incluindo características como velocidade, compressibilidade e viscosidade. Eles são mais frequentemente divididos em dois tipos:
- Aerodinâmica externa é o estudo do escoamento em torno de objetos sólidos de várias formas. Exemplos de aerodinâmica externa são a avaliação de sustentação e arrasto em uma aeronave, ou as ondas de choque que se formam na frente do nariz de um míssil.
- Aerodinâmica interna é o estudo do escoamento através de passagens em objetos sólidos. Por exemplo, a aerodinâmica interna abrange o estudo do fluxo de ar através de um motor a jato ou através de uma chaminé de ar condicionado.
Os problemas aerodinâmicos também podem ser classificados de acordo com as velocidades de escoamento abaixo ou próximas da velocidade do som.
O problema se chama:
- subsônico, se todas as velocidades do problema forem menores que a velocidade do som;
- transonic se houver velocidades abaixo e acima da velocidade do som (geralmente quando a velocidade característica é aproximadamente igual à velocidade do som);
- supersônico, quando a velocidade característica do fluxo é maior que a velocidade do som;
- hipersônica, quando a velocidade do fluxo é muito maior que a velocidade do som.
Aerodinamicistas discordam sobre a definição exata de fluxo hipersônico.
O efeito da viscosidade no fluxo determina uma terceira classificação. Alguns problemas podem ter apenas efeitos viscosos muito pequenos, caso em que a viscosidade pode ser considerada insignificante. Aproximações para esses problemas são chamadas de invíscidascorrentes. Escoamentos para os quais a viscosidade não pode ser desprezada são chamados de escoamentos viscosos.
Compressibilidade
Um escoamento incompressível é um escoamento em que a densidade é constante no tempo e no espaço. Embora todos os fluidos reais sejam compressíveis, o fluxo é frequentemente aproximado como incompressível se o efeito de uma mudança na densidade causar apenas pequenas mudanças nos resultados calculados. Isso é mais provável quando a vazão está bem abaixo da velocidade do som. Os efeitos da compressibilidade são mais significativos em velocidades próximas ou superiores à velocidade do som. O número Mach é usado para avaliar a possibilidade de incompressibilidade, caso contrário, efeitos de compressibilidade devem ser incluídos.
De acordo com a teoria da aerodinâmica, o escoamento é considerado compressível se a densidade varia ao longo da linha de corrente. Isso significa que, ao contrário de um escoamento incompressível, as mudanças na densidade são levadas em consideração. Em geral, este é o caso quando o número de Mach de parte ou todo o fluxo excede 0,3. O valor de Mach de 0,3 é bastante arbitrário, mas é usado porque um fluxo de gás abaixo desse valor exibe menos de 5% de mudanças de densidade. Além disso, a mudança de densidade máxima de 5% ocorre no ponto de estagnação (o ponto no objeto onde a velocidade do fluxo é zero), enquanto a densidade ao redor do resto do objeto será muito menor. Escoamentos transônicos, supersônicos e hipersônicos são todos compressíveis.
Conclusão
Aerodinâmica é uma das ciências mais importantes do mundo hoje. Ela nos fornececonstruindo aviões, navios, carros e naves de quadrinhos de qualidade. Desempenha um grande papel no desenvolvimento de tipos modernos de armas - mísseis balísticos, boosters, torpedos e drones. Tudo isso seria impossível se não fossem os modernos conceitos avançados de qualidade aerodinâmica.
Assim, as ideias sobre o assunto do artigo mudaram de belas, mas ingênuas fantasias sobre Ícaro, para aeronaves funcionais e realmente funcionais que surgiram no início do século passado. Hoje não podemos imaginar nossas vidas sem carros, navios e aeronaves, e esses veículos continuam a melhorar com novos avanços na aerodinâmica.
As qualidades aerodinâmicas dos planadores foram um verdadeiro avanço em seu tempo. A princípio, todas as descobertas nessa área eram feitas por meio de cálculos teóricos abstratos, às vezes divorciados da realidade, que eram realizados por matemáticos franceses e alemães em seus laboratórios. Mais tarde, todas as suas fórmulas foram usadas para outros fins mais fantásticos (para os padrões do século XVIII), como calcular a forma e a velocidade ideais das futuras aeronaves. No século 19, esses dispositivos começaram a ser construídos em grande quantidade, começando com planadores e dirigíveis, os europeus passaram gradualmente para a construção de aeronaves. Estes últimos foram usados pela primeira vez exclusivamente para fins militares. Os ases da Primeira Guerra Mundial mostraram o quão importante é a questão do domínio no ar para qualquer país, e os engenheiros do período entre guerras descobriram que tais aeronaves são eficazes não apenas para os militares, mas também para os civis.metas. Com o tempo, a aviação civil entrou firmemente em nossas vidas, e hoje nenhum estado pode ficar sem ela.
