Uma pequena introdução à Aerodinâmica

Créditos: engineering.purdue.edu
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Por Chris Woodford no site “ExplainThatStuff!”.

Você já ficou em cima de um carro e sentiu o vendo batendo no seu rosto? É uma situação em que você se sente livre!  Porém, também é uma circunstância surpreendente, porque nós normalmente não sentimos o vento dessa forma. Embora você esteja rodeado desses gases (e a vida seria impossível sem ele), nós dificilmente temos um momento como esse. Entender como o ar se comporta quando perfuramo-no com determinada velocidade é incrivelmente importante: sem a ciência da aerodinâmica, assim como sabemos, nunca seríamos capazes de projetar aviões, espaçonaves, carros de alta velocidade e pontes resistentes a furações. Mas o que é exatamente a Aerodinâmica? Demos uma olhada!

O que é Aerodinâmica?

Swimmer reaching arm forward as far as possible during front crawl.

Uma das diferenças óbvias entre sólidos, líquidos e gases é a sua densidade: como os átomos se comportam em determinado espaço. Sólidos e líquidos são mais densos que os gases – e você irá saber disso se tentar caminhar na água. Comparado a caminhar através do ar, é incrivelmente difícil projetar seu corpo na água. Você literalmente tem de empurrar a água que está na sua frente para fora do seu caminho e, à medida que você se move, a água resiste. É muito melhor nadar do que caminhar sobre ela, pois você projeta seu corpo em um formato longo, ideal para a locomoção, pois cria menos resistência. Você desliza pelo líquido, sem perturbá-lo muito e se move mais rápido.

A mesma coisa vale para o ar. Como a água, ele é um fluido e, generalizando, a maioria dos fluidos se comporta da mesma maneira. Se você quer se mover mais rápido através do ar, é melhor que você o faça em um veículo longo e estreito, que cria a menor perturbação possível.

Pensando sobre como se mover mais rápido e efetivo por um fluido, foi-se criada a aerodinâmica. Em uma definição mais formal e científica, podemos dizer que ela é a ciência de como as coisas se movem através do ar (ou como o ar contorna as coisas).

A ciência da Aerodinâmica

A Aerodinâmica faz parte de um ramo da Física chamado de dinâmica dos fluidos, que estuda o movimento dos líquidos e dos gases. Embora possam envolver matemática muito complexa, os princípios básicos são relativamente fáceis de entender. Eles incluem como os fluidos fluem de diferentes maneiras, o que causa a resistência e como eles conservam seu volume e energia ao fluir. Outra ideia importante é que quando um objeto se move através de um fluido estacionário, a ciência é quase a mesma que a aplicada para a situação de um fluido se movendo por um objeto parado. E, por causa disso, é possível estudar a performance aerodinâmica de um carro ou de um avião em um túnel de vento, que expele ar em alta velocidade por um protótipo de um veículo para testar o seu desempenho.

Fluxo laminar e turbulento

Quando você esvazia uma garrafa de água, você provavelmente nota que pode fazer isso de diferentes maneiras. Colocando o recipiente em um ângulo inclinado fará o líquido escorrer suavemente. Se você colocar a garrafa verticalmente, a água descerá de forma mais barulhenta, pois ela está competindo com o ar, o que faz um barulho, digamos assim, de glug-glug.

O que você vê aqui são dois tipos extremos de escorrimentos de fluidos. No primeiro caso, temos que a água desce de maneira suave, havendo um equilíbrio entre ela e o ar e, portanto, havendo a mínima perturbação, o que é chamado de fluxo laminar. No segundo caso, o ar e a água competem entre si, fazendo com que haja uma grande perturbação, o que é chamado de fluxo turbulento. Se você está tentando projetar algo como o carro esportivo e quer que ele se mova rapidamente, idealmente, o seu corpo teria de perfurar o ar da maneira mais suave possível – então, o fluxo laminar seria, neste caso, melhor que o fluxo turbulento. Quanto maior a turbulência, maior é a resistência do ar, então, mais energia será gasta e mais lento se moverá o objeto.

Camada limite

225kW wind turbine in Staffordshire, England

A ideia de camada limite nos guia a muitas coisas interessantes. Ela explica por que, por exemplo, seu carro por ficar sujo e empoeirado mesmo que esteja correndo pelo ar a uma alta velocidade. Embora o veículo esteja viajando rápido, o ar que está perto á superfície dele não está, então, as partículas de sujeita não são mantidas longe tal como o esperado. O mesmo é aplicado em quando você tenta soprar a poeira para longe de uma estante. Você vai conseguir expulsar alguma parte, mas não toda parte, mesmo que suas bochechas estourem. Na verdade, você apenas consegue eliminar o excesso de poeira (as camadas superiores), enquanto as pequenas moléculas ficam.

A partir do exemplo, podemos dar uma definição: a camada limite é aquela camada de ar que está em interação molecular com um objeto e que não sofre a ação do arrasto provocado pelo fluido que se move ao redor dele.

O conceito também explica o porquê de turbinas eólicas terem de se localizar tão alto. Quanto mais perto do chão estiver, menor é a velocidade do vento e, portanto, menor é a sua velocidade cinética. Isso sempre acontece a nível do chão ou em algo como concreto.

Resistência do ar

O conceito de resistência do ar é bem entendido a partir do momento que se sabe a distinção entre o fluxo laminar e o turbulento. Quando o carro esportivo perfura o ar, o fluxo é relativamente laminar; quando um caminhão faz o mesmo, há mais predominância do fluxo turbulento. A resistência do ar (R.A.) é a força exercida em um corpo depois que ele adquire um fluxo turbulento.

Se você andar de bicicleta ou já participou de uma corrida com ela, é bem óbvio notar que a R.A. aumenta com a velocidade – na verdade, de acordo com o seu quadrado. Em outras palavras, se você dobrar a sua velocidade, você irá quadruplicar a R.A.. Veículos que se movem rápido usam a maior parte de sua energia para empurrar o ar para fora do caminho.

Comparing the laminar and turbulent airflow around a car and a boxy truck in a wind tunnel at NASA Ames.
Em cima: a forma aerodinâmica desse carro permite que o ar flua ao seu redor em um fluxo razoavelmente laminar. Há a resistência, mas ela é principalmente causada pela fricção entre as camadas do ar de cisalhando atrás do carro. Note como o ar se torna mais turbulento. Em baixo: um veículo em forma de caixa faz uma resistência maior ao ar, pois tem uma maior área e causa maior turbulência.

Equação da continuidade

Talvez pareça óbvio, mas se fluidos estão perpassando através ou ao redor de um objeto, a quantidade de fluido que você tem no fim é a mesma que você tem no começo. Escreve isso de forma matemática e você terá o que é chamado de equação da continuidade.

Ela provém do fato de que a área pela qual os fluidos perpassam multiplicada pela velocidade do fluido é constante: se um fluido passa para dentro de um espaço limitado, ele tem de acelerar; se passa para um espaço mais largo, tem de diminuir a velocidade. Isso ajuda a explicar o por que do vento assobiar entre construções e por que, se você apertar o ar de uma mangueiro, o esguicho é mais forte e mais rápido.

Podemos usar a equação da continuidade para ajudar-nos a entender dois outros conceitos principais da Aerodinâmica: o princípio de Bernoulli e o efeito Venturi.

Princípio de Bernoulli

Simple table-top demonstration of Bernoulli's principle: blowing through a paper tunnel makes it collapse.

Faça você mesmo um tubo retangular de papel, coloque-o em uma mesa e o sopre. À medida que você faz isso, o papel irá descer, então, subirá novamente até você soprar.

O que está acontecendo?

Quando um fluido passa de um local para o outro, ele tem de conservar energia. Em outras palavras, tem de haver tanta energia no final quanto no começo. Nós sabemos isso a partir da lei fundamental da física da conservação de energia, que explica que você não pode criar ou destruir nada, apenas transformar em outra coisa. Pense sobre o ar fluindo através de um seu papel. Apenas o ar que há fora do seu objeto, onde você está soprando, tem três tipos de energia: potencial, cinética e a resultante da pressão. O ar que há no meio do objeto tem os mesmos tipos. Entretanto, por conta do rápido movimento do ar lá, a energia cinética tem de ser maior. Uma vez que você não pode criar energia, tem de haver uma redução em um dos dois tipos de energia. Você está soprando de forma paralela à mesa, então o ar não pode subir ou descer – o que não muda a sua energia potencial. O único lugar de onde nós podemos compensar a energia cinética extra é da pressão do fluido. Então, quando o ar adquire velocidade, a sua pressão baixa. Uma vez que o ar dentro do objeto tem uma menor pressão que o ar ao seu redor, o papel se abaixa até que você sopre novamente. Resumindo, o princípio de Bernoulli simplesmente nos mostra que a energia total de um fluido em movimento é constante. Mas você provavelmente veria isso descrito de uma outra forma, então: se um fluido aumenta a sua velocidade, sua pressão diminui (e vice-versa).

Veja, então, o conceito aplicado de uma outra forma:

O princípio de Bernoulli nos ajuda a entender como os aerofólios sustentam os aviões. Quando o ar bate no aerofólio, ele divide-se em duas correntes, uma das quais vai por cima da asa, outra por baixo. A superfície de cima do aerofólio é curvada, enquanto a de baixo é linear. Nós sabemos, pela equação da continuidade, que há tanto ar batendo no aparato quanto saindo por ele. Então, o ar que vai por cima da asa tem de ser mais rápido do que o ar que vai por baixo. O princípio de Bernoulli nos conta que o ar que passa por cima da asa, por conta de ser mais rápido, tem uma pressão menor do que o que vai por baixo e isso é o que faz a força de elevação para o avião e que o faz viajar pelo ar.

Air flow around an airfoil wing in a wind tunnel

O efeito Venturi

A ideia básica desse efeito junta o princípio de Bernoulli com a equação da continuidade. Ela diz que, se um fluido passa por um espaço limitado, ele aumenta a velocidade e a pressão diminui. Essa é uma das razões pelas quais cataventos de usinas eólicas são, às vezes, construídos entre vales e montanhas, onde a velocidade é maior.

Supersônico!

Jet airplane: sonic boom and visual mist created as a fighter jet breaks the sound barrier

Quanto mais rápido você vai, mais difícil é para manter a sua velocidade – esse é o truque que faz difícil quebrar recordes de velocidade em carros, barcos e aviões. Na teoria, as leis da dinâmica dos fluidos (da qual a Aerodinâmica pertence) se aplica da mesma forma a todas as circunstâncias: correr com um carro por uma pista, enfrentar ondas com um barco hidrodinâmico ou “gritar” pelo ar com um jato militar.

Os aviões, entretanto, são uma diferente categoria pois podem ser 5-10 mais rápidos que um carro ou que um barco. Uma vez que eles atingem certa velocidade, a velocidade do som, diferentes regras de Aerodinâmica são aplicadas. Jogue o seu avião contra a barreira do som e enormes ondas de choque em formato de cone irão se formar na sua cauda, o que irá escandalosamente aumentar a resistência do ar. Veja o vídeo:

https://www.youtube.com/watch?v=BHBevPYVzaY

Esse é o motivo pelo qual os jatos supersônicos têm narizes e asas pontiagudas e afiadas.

Vá mais rápido que isso e as regras da Aerodinâmica irão mudar novamente. A velocidades hipersônicas (5 vezes maior que o som), asas pequenas funcionam melhor e elas precisam estar posicionadas mais para trás em relação a um avião supersônico.

Por que a Aerodinâmica é importante?

How a fairing mounted on a truck's cab diverts airflow, saving energy and fuel.

Por que nós devemos tomar cuidado da Aerodinâmica? Por que ela importa? Suponha que você controle uma empresa de 500 caminhões que rodem todo o país entregando suprimentos para supermercados. Além do salário dos funcionários e dos próprios caminhões, você ainda teria de arcar com os gastos do combustível. Se você comprar caminhões com uma carroceria que não provoquem muita turbulência no fluxo do ar, o consumo de combustível será bem menor, o que economizará dinheiro. Ainda, o formato dos containers teriam o mesmo resultado. O mesmo para carros.

De aviões a foguetes, a Aerodinâmica é muito importante. Quando uma espaçonave retorna á Terra, ela entra na atmosfera a uma velocidade muito alta, o que a aquece perigosamente. Em Fevereiro de 2003, o ônibus espacial Columbia foi tragicamente destruído, matando sete astronautas a bordo por conta disso. Entender como o ar se move por volta de uma espaçonave é essencial para prevenir esses episódios

A Aerodinâmica importa, também, para o resto de nós. Se você é um ciclista disposto a vencer uma corrida, precisará usar a sua energia da forma mais eficiente possível, perdendo-a para o ar da mínima forma possível.

 

Rápida história da Aerodinâmica

Railton Mobil Special

  • 350 a.C.: Aristóteles descreve como objetos flutuam e se movem em fluidos
  • 1490: O italiano Leonardo da Vinci considera a aerodinâmica do voo e registra a anatomia detalhada das asas dos pássaros em seus cadernos. Ele nota a importância da resistência do ar como uma força que diminui a velocidade de objetos que se movem e descobre a equação da continuidade ao ver rios fluindo.
  • Século XVII: O britânico Isaac Newton estuda a resistência do ar, notando que da mesma forma que o fluido se move percorrendo um objeto, o objeto se move por ele.
  • 1673: O cientista francês Edme Mariotte mostra que a resistência do ar aumenta ao quadrado da velocidade. Christiaan Huygens e Isaac Newton chegaram à mesma conclusão ao mesmo tempo.
  • 1738: O cientista francês Daniel Bernoulli trabalha com a conexão entre a velocidade de um fluido e sua pressão.
  • Década de 1840: O inglês Sir George Cayley faz os estudos pioneiros aerodinâmicos com planadores e identifica as quatro forças do voo (sustentação, arrasto, peso e tração).
  • 1852:O físico alemão Heinrich Magnus explica o efeito Magnus, que descreve como bolas de tênis e de futebol fazem curva.
  • Década de 1880: O britânico Osborne Reynolds nota a diferença entre os fluxos laminar e turbulento. Um conceito chamado de número de Reynolds é usado para descrever e explicar diferentes tipos de fluxos em fluidos.
  • Década de 1890: O britânico Frederick Lanchester começa a estuda a Aerodinâmica e descobre a circulação do ar ao redor de aerofólios.
  • 1903: Depois de fazer seus próprios estudos detalhados de Aerodinâmica, os norte-americanos irmãos Wright fazem o primeiro voo (porém, impulsionado).
  • 1906: O brasileiro Santos Dummont consegue realizar o primeiro voo sem impulsão.
  • Década de 1900: O físico alemão Ludwig Prandtl formula as equações matemáticas do fluxo de ar e inventa a ciência aerodinâmica moderna;
  • Década de 1930 à década de 1960: O húngaro Theodore von Kármán formula modelos matemáticos complexos para o fluxo de ar e faz contribuições pioneiras à ciência dos voos supersônico e hipersônico.
  • 1934: O romeno Henri Coandă descobre o que se tornou conhecido como efeito Coandă – que é a tendência de um filete de um fluido permanecer unido a uma superfície curva adjacente.
  • 1947: O norte-americano Chuck Yeager realiza o primeiro voo supersônico.

 

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