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TEORIA DE VOO E AERODINÂMICA MÓDULO 2

Aula 1

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5 – VOO RETO E NIVELADO.

Para se voar reto e nivelado em alta velocidade, deverá ser

mantido um ângulo de ataque pequeno, para a aeronave não ganhar altura. A

sustentação (L) deve ser igual ao peso do avião (W) e a tração (T) igual ao

arrasto (D).

Se diminuirmos a velocidade do voo, é preciso aumentar o

ângulo de ataque. A menor velocidade possível em voo horizontal é conseguida

quando o avião voa com o ângulo de ataque crítico, pois o coeficiente de

sustentação é máximo.

Se o ângulo crítico for ultrapassado, inicia-se o estol e a

sustentação diminui rapidamente, porém ainda é possível manter o voo horizontal

desde que a velocidade possa ser aumentada para compensar a redução de

sustentação. Mesmo assim, pequeno aumento no ângulo de ataque, além do

crítico, vai exigir enormes aumentos de potência, pois o arrasto adicional é

aumentado em grandes proporções e deverá ser compensado com potência. Por

isso, somente aeronaves com grande excesso de potência poderão manter a

altura após a ocorrência do estol.

O ângulo de ataque é muito importante para o voo, principalmente

quando se quer evitar o estol. Como saber quando se está próximo ao estol, já

que nem toda a aeronave tem indicador de ângulo de ataque? O velocímetro é

suficiente para manter a aeronave em condições normais de voo. Se o avião

estiver próximo a velocidade de estol indicada pelo fabricante (que são as cores

indicadas no velocímetro), a asa estará automaticamente próxima ao ângulo de

ataque crítico. Portanto, o velocímetro alerta quanto ao risco de estol.

A velocidade de estol varia conforme o peso; portanto, quando o

peso aumenta a velocidade de estol também aumenta.

O arrasto (D) não depende da altitude num voo horizontal. Veja

só: uma aeronave voando rente ao mar não necessita de muita velocidade, pois o

ar é mais denso, o que possibilita obter facilmente sustentação necessária ao

voo.

Já a aeronave que voa em altitude encontra o ar mais rarefeito. O arrasto,

aparentemente, poderia ser menor, consequentemente sustentação também é

menor e para manter o voo, o piloto deverá aplicar mais potência. A velocidade

aumenta e torna-se possível manter o voo. Com a aeronave voando mais

rapidamente, a sustentação também aumenta, o que causa também um aumento

no arrasto, igualando-se ao arrasto da aeronave que voa próximo ao mar.

5.1.1 – VELOCIDADES DE VOO. Velocidade Máxima – é a maior velocidade possível em voo horizontal. Velocidade de Máximo Alcance – é a velocidade que permite voar a maior distância

possível com dada quantidade de combustível.

Velocidade de Máxima Autonomia – é a velocidade que permite voar o máximo

tempo possível com dada quantidade de combustível. É a velocidade utilizada,

geralmente, para esperas sobre aeroportos.

Velocidade Mínima – é a menor velocidade para a qual é possível voar com

velocidade constante. O ângulo de ataque é maior que o crítico, e a velocidade é

maior que a de estol.

Velocidade de Estol – é a menor velocidade possível em voo horizontal. A aeronave

voa no ângulo de ataque crítico, e o coeficiente de sustentação é o máximo. Usando

dispositivos hipersustentadores, a velocidade de estol torna-se menor.

5.2 - O ARRASTO NAO VARIA COM A ALTITUDE NUM VOO HORIZONTAL

A afirmação acima parece contraditória, pois o arrasto deveria diminuir com a

altitude, devido ao ar menos denso.

Na verdade, não há contradição, Numa altitude maior, a densidade é de fato

menor, o que resultaria em arrasto também menor. Porém devemos lembrar que a

sustentação também seria menor, impossibilitando o voo horizontal. Isso significa que é

necessário aumentar a potência do motor, para que a velocidade da aeronave aumente

e a sustentação volte ao valor anterior – mas o arrasto, também, voltará ao valor

anterior.

5.3 – FATORES QUE AFETAM A VELOCIDADE E A POTÊNCIA

A velocidade e a potência necessária ao voo nivelado são expressadas

matematicamente através de equações, que não serão estudadas, mas indicaremos

quais são os fatores que afetam a velocidade e a potência e de que maneira elas

afetam.

𝑽𝑽 = � 𝟐𝟐𝟐𝟐𝑷𝑷𝑷𝑷𝑪𝑪𝑳𝑳

𝑷𝑷𝑵𝑵 = �𝟐𝟐𝑾𝑾𝟑𝟑𝑪𝑪𝑫𝑫𝟐𝟐

𝑷𝑷𝑷𝑷𝑪𝑪𝑳𝑳𝟑𝟑

5.4 – FATORES QUE AFETAM A VELOCIDADE DE VOO HORIZONTAL

Seis fatores afetam a velocidade: o Peso, a Altitude, a Carga alar (que é o peso

dividido pela área da asa), a Densidade, a Área da asa e o coeficiente de sustentação.

Observe estes fatores planificados em uma barra horizontal que nos ajudará a entender

melhor as questões sobre a velocidade de voo horizontal, incluindo as velocidades de

estol, de máximo alcance e de máxima autonomia. São velocidades que não dependem

do grupo motopropulsor.

5.4.1 – Barra Horizontal – solução de questões

a) O que acontecerá com a velocidade de voo horizontal se a densidade diminuir?

Se a densidade diminuir, a barra da velocidade horizontal se inclinará para a direita,

mostrando que a velocidade do avião deverá ser aumentada para manter o voo

horizontal.

b) Se o peso do avião e a densidade do ar aumentarem, a velocidade deverá:

Aumentar? Diminuir? Permanecer constante? Todas as alternativas?

Nesta questão a barra fica “indecisa” porque o peso e a densidade tentam incliná-la para

lados diferentes. Não sabemos qual dos dois predominará, portanto a melhor resposta

será: todas as alternativas.

5.5 – FATORES QUE AFETAM A POTÊNCIA NECESSÁRIA

Existem sete fatores que afetam a potência necessária – são os mesmos seis fatores já

estudados, acrescidos de mais um: o Coeficiente de Arrasto. A Barra de Potência

Necessária terá o seguinte aspecto:

5.5.1 – Potência necessária – solução de questões

a) Se o avião for modificado para reduzir o seu arrasto e aumentar a área da asa, ele

passará a necessitar:

Mais potência? Menos potência? A mesma potência? Impossível concluir!

A redução do arrasto e o aumento da área da asa fará a Barra da Potência pender para

a esquerda, diminuindo a potência necessária ao voo. A resposta correta será a que

informa que é impossível calcular.

5.5 – FATORES QUE AFETAM A VELOCIDADE MÁXIMA

As velocidades máximas e mínimas não obedecem a Barra da Velocidade geral,

porque dependem da potência máxima do grupo motopropulsor. São velocidades que

não apresentam interesse para o Piloto Privado. Veja a barra especial para velocidade

máxima.

a) A velocidade máxima aumentará se diminuirmos qual destes fatores:

Peso? Altitude? Coeficiente de arrasto? Qualquer dos anteriores!

Na Barra de Velocidade Máxima todos os itens mencionados acima estão incluídos

entre os “outros fatores”. Portanto a velocidade máxima aumentará se qualquer um

deles

diminuir.

6– VOO PLANADO

Uma aeronave em voo descendente com ângulo de 30°, em

marcha lenta. O movimento não é causado pelo seu motor, mas pela ação da

força da gravidade. Esse tipo de voo é chamado de planado. A figura abaixo

mostra uma aeronave que pesa 1000 kgf, num voo planado. O aeroplano é

impulsionado por uma força de 500 kgf, resultante da gravidade. A sustentação é

igual a 866 kgf (não 1000 kgf), portanto menor que o peso. O ângulo ɵ (letra

grega “téta”) formado pela trajetória do voo e a linha do horizonte é chamado de

ângulo de planeio.

A aeronave estabiliza-se quando atinge a velocidade em que o

arrasto torna-se igual a 500 kgf. A componente de peso, 866 kgf, é anulada pela

sustentação.

6.1 - VELOCIDADE DE MELHOR PLANEIO.

Essa também é a Velocidade de Menor Ângulo de Descida. É a

velocidade que possibilita a aeronave planar a maior distância possível. É a

velocidade usada para pouso sem motor (em marcha lenta) e, também, quando a

pane de motor. Essa velocidade é coincidente com a Velocidade de Máximo

Alcance.

Na tentativa de melhorar o planeio, o piloto pode aumentar o

ângulo de ataque. De nada adianta, pois a aeronave permanecerá mais tempo

planando, porém, a distância percorrida será menor. Há uma velocidade chamada

Velocidade de Menor Razão de Descida, na qual o avião permanece o máximo

tempo em planeio. Essa velocidade é coincidente com a Velocidade de Máxima

Autonomia.

O piloto tentando melhorar seu planeio, poderia usar um ângulo

de ataque menor e aumentar sua velocidade. Isso, ainda, será inútil porque,

embora a velocidade do planeio seja de fato maior, o ângulo de planeio também

será.

6.2 - VELOCIDADE FINAL.

A velocidade final é a máxima velocidade

que uma aeronave pode atingir num mergulho vertical. A

sustentação é nula, pois a trajetória é vertical. O ângulo de

ataque será o ângulo de sustentação nula. A velocidade

aumentará rapidamente e se estabilizará quando o arrasto

tornar-se igual ao peso (velocidade final). O piloto só deve

permitir que isso aconteça se não atingir antes a

Velocidade Limite, que é especificada pelo fabricante. Essa

velocidade (velocidade limite), nunca deve ser excedida,

pois se ultrapassada a aeronave sofrerá danos e até

destruição da estrutura.

6.3 – RAZÃO DE DESCIDA.

Razão de descida é a altura perdida por

unidade tempo. Ela é medida no instrumento chamado

variômetro ou “Climb”. Ela é expressa em pés pó minuto

(ft/min.), ou metros por segundo (m/s), sua abreviatura é

conhecida por R/D.

6.4 – INFLUÊNCIA DO PESO.

O peso da aeronave não influi na distância e no ângulo de

planeio, mas aumenta a sua velocidade e a razão de descida.

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6.5 – INFLUÊNCIA DO VENTO.

O vento influencia na distância e ângulo de planeio. Observe: o

vento de cauda aumenta a distância de planeio e diminui o ângulo de planeio. Já

no vento de proa acontece o oposto, é aumentado o ângulo de planeio e diminui a

distância de voo planado. Não há alteração na velocidade aerodinâmica e na

razão de descida, pois ambas são medidas em relação ao ar.

6.6 – INFLUÊNCIA DA ALTITUDE. Devido à densidade do ar em altitude ser menor, uma aeronave

plana muito mais rápido. Porém, a velocidade indicada não varia com a altitude.

Apesar da aeronave mais alta estar planando

mais rapidamente, a densidade do ar naquela altitude é menor; por isso, a

pressão dinâmica captada pelo tubo de Pitot é a mesma de uma aeronave em

baixa altitude. Então pode-se dizer que a aeronave em voo em maior altitude tem

VA maior, mas VI igual à do avião mais baixo.

O ângulo de planeio é o mesmo para as duas aeronaves e devido

isto, a distância de planeio também será a mesma.

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7 – VOO ASCENDENTE (SUBIDA)

Como se vê na figura acima, a sustentação (L) está perpendicular

ao vento relativo e, portanto, não suporta inteiramente o peso do avião. O peso

(W) é perpendicular à superfície da Terra, decompõe-se nos vetores 5 e 6.

Portanto, a força que irá sustentar o avião será o vetor R, resultante da

sustentação e da tração.

Uma aeronave de 100 kgf efetua um voo ascendente. O primeiro

fato a chamar a atenção é o valor da sustentação: 866 kgf, menor que o peso.

Embora isso pareça inicialmente estranho, poderá ser compreendido se observar

que a força de tração da hélice é inclinada para cima, ou seja, ela suporta

parcialmente o peso do avião, aliviando a carga sobre a asa. De fato, se o voo

fosse horizontal, a tração da hélice deveria ser apenas 200 kgf; porém, como a

aeronave está subindo, devemos acrescentar a componente do peso no sentido

contrário (500 kgf), o que totaliza 700 kgf.

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A aeronave apresenta duas componentes de velocidade que são:

A razão de subida é medida num instrumento chamado

variômetro, mais conhecido como Climb e a unidade de medida mais utilizada na

aviação é pés por minuto (ft/min.), há instrumentos que também utilizam como

medida a unidade de metros por segundo (m/s).

A subida define-se pelo ângulo formado entre a trajetória da

aeronave e a linha do horizonte.

Velocidade Horizontal VH Razão de subida R/S

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Existem duas velocidades importantes para o voo ascendente:

a) Velocidade de Máxima Razão de Subida:

Que é a velocidade na qual o avião ganha altura o mais

rapidamente possível;

b) Velocidade de Máximo Ângulo de Subida:

Que é a velocidade na qual o avião sobe com o maior ângulo

de subida. Por ser de maior ângulo, sua velocidade de máxima razão de subida é

menor.

Confira abaixo os possíveis casos de voo ascendente:

Logo após a decolagem, dependendo do aeródromo onde se está

operando, a aeronave deve subir com o maior ângulo de subida, para afastar-se

com segurança dos obstáculos do solo. Como mostra o exemplo abaixo:

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Há algumas desvantagens quanto ao uso desse Máximo Ângulo

de Subida. Há um declínio na visão à frente, o motor da aeronave é forçado a um

desgaste e aquecimento maior e, ainda, voa-se muito próximo à velocidade de

estol.

À medida que o avião ganha altura, a densidade do ar atmosférico

diminui. Por esse motivo, a razão de subida máxima diminui gradativamente, até

tornar-se nula no Teto Absoluto.

Teto Prático ou de Serviço – É a altitude onde a razão de subida

máxima é igual a 100 ft/min., ou 0,51 m/s, por convenção.

Teto Absoluto – É a altitude onde a razão de subida máxima é

nula.

O Teto Prático e o Teto Absoluto são altitudes de densidade, e

por isso não podem ser lidos diretamente no altímetro.

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7.1 – ESTUDO DA PERFORMANCE EM SUBIDA.

Para obter a máxima razão de subida, a aeronave deve voar na

velocidade na qual haja a maior sobra de potência.

O gráfico acima mostra que essa velocidade corresponde àquela

em que temos a máxima diferença entre as potências disponível e necessária.

Pode-se observar que para a aeronave voar a 100 mph, precisa de 150 HP para

um voo horizontalmente. Porém, o grupo motopropulsor pode fornecer 350 HP se

for acelerado ao máximo; portanto, há uma reserva de 200 HP, que é a diferença

entre a potência disponível e necessária (350 – 150 = 200). Essa sobra de

potência é máxima à velocidade de 100 mph, por isso pode-se dizer que essa é a

velocidade de máxima razão de subida.

A Razão de Subida Máxima e o Maior Ângulo de Subida

dependem do peso da aeronave, da altitude local, da potência disponível e da

área da asa.

Quando se aumenta a altitude, a potência disponível diminui e a

potência necessária aumenta. Então pode-se dizer que no Teto Absoluto, só

existe uma velocidade em que a aeronave poder manter o voo. Essa velocidade

é, ao mesmo tempo, a Velocidade Máxima, a Velocidade de Máximo Alcance, a

Velocidade de Máxima Autonomia, a Velocidade Mínima e a Velocidade de Estol.

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Para melhor compreensão, o gráfico acima, mostra a situação

quando no Teto Absoluto. Observe que as curvas se tocam na velocidade de 100

mph, onde há o encontro das curvas de potência necessária e disponível. Todas

as velocidades nessa situação são iguais como já citadas anteriormente.