Teoria de Voo I_Aerodinamica

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  • 8/9/2019 Teoria de Voo I_Aerodinamica

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    UNIVERSIDADE CATLICA DE GOIS UCG

    Aerodinmica e Teoria de Voo

    Prof. Gustavo Montoro

    Matemtica

    PRODUTO 2.4 = 8

    QUOCIENTE ou RAZO 18/2 = 9

    QUADRADO 72 = 49

    CUBO 43 = 64

    RAIZ QUADRADA 81 = 9

    DIRETAMENTE PROPORCIONAL distncia e tempo

    INVERSAMENTE PROPORCIONAL combustvel e tempo

    Captulo 2 - Fsica (base da teoria de voo)

    Velocidade (grandeza)

    Km/h (quilmetros por hora) (escala)

    Mph (milhas terrestre por hora)

    1,609 km/h

    kt (knot ou n ou milha nutica por hora)

    1,852 km/h

    Sisitema Internacional = m/s 3,6 km/h (grandeza vetorial)

    V = d/t

    V = s/t

    Vi = ds/dt

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    Massa (grandeza)

    Quantidade de matria contida em um corpo;

    Invarivel

    Kg quilograma (escala)

    Lb libra (0,4536 Kg) (escala)

    Quanto maior for a massa de um corpo maior

    ser sua inrcia (velocidade alterada).

    A massa de um corpo a medida da inrcia deste corpo.

    Fora (grandeza)

    Produz ou modifica o movimento de um corpo;

    Para mudar a direo e preciso o uso da fora (quebra na inrcia)

    Escalas

    Kgf quilograma-fora 1 Kgf = 9,8N (SI)

    Lbf libra-fora

    F = m.a (2 lei de Newton) - - - - m = F/a

    1 Kgf a fora com que a Terra

    atrai o quilograma padro ao ncleo

    Dinammetro = aparelho que mede a fora

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    Peso

    Juno da massa com a gravidade

    P = m.g (g = 9,8m/s2

    )

    Varivel;

    Gravidade maior nos plos do que no equador, assim o seupeso e maior nos plos.

    Trabalho

    Fora pelo deslocamento

    W = F.d

    No SI ---- N.M = J

    Potncia (P) trabalho (W) produzido por unidade de tempo

    P = Fora . Velocidade / P = W/t

    Potencia Geralmente medida em HP (Horse Power)

    1HP = 1 cavalo robusto puxando com a fora de 76 Kgf,

    um velocidade de 1m/s

    1 HP = 735W (Kgf.m)

    Potncia (P) trabalho (W) produzido por unidade de tempo

    P = Fora . Velocidade / P = W/t

    Potencia Geralmente medida em HP (Horse Power)

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    Acelerao (a) - variao da velocidade por unidade de tempode um corpo.

    a = Fora / massa

    a > 0 movimento acelerado

    a < 0 movimento retardado

    a = velocidade(m/s) / tempo(s)

    Inrcia tendncia natural dos corpos permanecerem emrepouso ou em movimento retilneo uniforme.

    1 Lei de Newton: Na ausncia de foras resultantes, um corpo

    em repouso continua em repouso. J umcorpo em movimento continua em movimentoem linha reta e com velocidade constante.

    Densidade massa por unidade de volume.

    D = m/V

    EX: Densidade da Gasolina 0,72 Kg/litro

    para cada litro a massa de 0,72 Kg

    Movimento ou torque

    Tudo aquilo que pode causar rotao

    M = F.d

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    Ao e Reao

    3 Lei de Newton - para toda ao haver uma reao de igualintensidade,porm em sentido contrrio.

    Presso

    Fora por unidade de rea (P = F/A).

    Lb/pol2 no SI N/m2 = Pa (pascal)

    Presso atmosfrica = presso exercida pelo peso do aratmosfrico sobre um objeto.

    Energia

    Tudo aquilo que pode realizar trabalho (SI = J)

    1- Energia Cintica: energia contida nos corpos em movimento;

    2- Energia Potencial gravitacional: energia acumulada em umcorpo, disponvel para ser utilizada. Geralmente contida emcorpos colocados em locais elevados.

    3- Energia de Presso: energia acumulada nos fluidos sobpresso

    VetorToda grandeza matemtica que possui

    intensidade, direo e sentido;

    Certas grandezas no podem ser representadas por vetores.Temperatura por exemplo

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    VetorComposio de vetores um mtodo para determinar a

    resultante de vrios vetores

    Teorema de Pitgoras:O quadrado da hipotenusa igual

    a soma dos quadrados dos catetos (ax e ay)

    VetorDecomposio de vetores um mtodo para determinar as

    componentes de um vetor

    Vento relativo

    Vento aparente que sopra sobre um corpo em movimento naatmosfera, geralmente no sentido contrario ao do movimento

    Vento relativo

    Vento aparente que sopra sobre um corpo em movimento naatmosfera, geralmente no sentido contrario ao do movimento

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    Vento relativo

    Vento aparente que sopra sobre um corpo em movimento naatmosfera, geralmente no sentido contrario ao do movimento

    Velocidade relativa

    a velocidade de um corpo em relao a um outro corpo

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    Fluidos e Atmosfera

    1- Fluido todo corpo sem forma fixa

    Lquidos - gua

    Gases - vapor dguaSubst. que escoa facilmente e muda a

    forma sob a ao de pequenas foras

    Propriedade do AR que afetam o voo (parmetros)

    PressoDensidade

    Temperatura

    Temperatura

    Medida atravs de termmetros

    Celsius

    Fahrenheit

    tc = tf -32

    5 9

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    Tk = tc + 273 DensidadeMassa por volume do gs

    Varia com a presso e temp.

    Presso esttica

    Gs em repouso

    Devido as incessantes e continuas colises das

    molculas do gs contra as paredes do objeto

    LEI DOS GASES

    Comportamento os gases

    Maneira como se comportam na variao de:

    presso, temperatura e densidade

    Aumento de presso

    Temp. aumenta

    Densidade aumenta

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    LEI DOS GASES

    Aumento da temperatura

    presso aumenta

    Densidade diminui

    P = d. t

    Temperatura calculada em Kelvin

    tk = tc + 273

    Atmosfera

    Cama de ar que circunda a terra;

    Mistura de gases

    21% gs oxignio

    78% gs nitrognio1% outros gases

    Componentes estranhos

    poeira

    vapor dagua

    poluentes diversas

    sementes

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    Presso atmosfrica

    Presso exercida pelo ar sobre

    todas as coisas dentroda atmosfera

    Teste do vcuo na latinha

    Variao dos parmetros atmosfricos

    Presso, densidade e temperatura

    Aumento da altitudeDiminui presso, densidade e temperatura

    Densidade do ar depende da umidade

    Maior umidade menor densidade do ar

    Vapor dgua mais leve que oxignio e nitrognio do ar

    ft

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    Atmosfera padro

    O desempenho do avio (velocidade mxima,sustentao, comprimento de pista para decolagem, etc)

    dependem dos parmetros atmosfrico do momento

    Variao de local para local Atmosfera padro (ISA)

    Padronizao dos critrios de avaliao de desempenho doas

    avies por diferentes fabricantes

    Atmosfera padro (ISA)

    International Standard Atmosphere

    Organizao da Aviao Civil Internacional (Montreal Canad)

    Presso: 1013.25 hPa / 760 mm de mercrio / 76 cm de Hg /

    14, 69 PSI / 29,92 Pol Hg

    Densidade: 1,225 Kg/ m3

    Temperatura: 15CGradiente trmico: - 2C a cada 1000ft (ps)

    - 0,65C a cada 100 m

    Altmetro

    Manmetro mede presso

    Calibrado para indicar a altitudecorreta na ISA

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    Altitude presso altitude indicada pelo altmetro

    Altitude verdadeira altitude real do avio

    Altitude densidade altitude calculada por diferena dedensidade

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    Geometria do avio

    Nomenclatura

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    Superfcies aerodinmicas

    No produzem resistncia ao avano, porem tbm noproduzem nenhuma fora til ao voo.

    Carenagem da roda

    polaina

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    Superfcies aerodinmicas

    No produzem resistncia ao avano, porem tbm noproduzem nenhuma fora til ao voo

    Spinner

    Voa sem

    Aeroflios

    Produzem foras teis ao voo (no voa sem)

    Hlice

    Asa

    Estabilizador

    Elementos matemticosde uma asa

    Envergadura(b);

    Corda (c);

    Raiz da asa;

    Ponta da asa;Bordo de fuga;

    Bordo de ataque;

    Intradorso;

    extradorso

    Elementos matemticosde uma asa

    Envergadura(b);

    Corda (c);

    Raiz da asa;

    Ponta da asa;Bordo de fuga;

    Bordo de ataque;

    Intradorso;

    extradorso

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    Elementos matemticosde uma asa

    Envergadura(b);

    Corda (c);

    rea da Asa

    letra S

    S = b.c

    PERFIL

    Formato em corte longitudinal do aeroflio

    Perfil simtrico: dividido por uma linha reta em duas partes iguais.

    Perfil Assimtrico: no divide em duas partes iguais por um linha reta

    PERFIL

    Formato em corte longitudinal do aeroflio

    Perfil simtrico: dividido por uma linha reta em duas partes iguais.

    Perfil Assimtrico: no divide em duas partes iguais por um linha reta

    Elementos de um perfil

    Bordo de ataque extremidade dianteira do perfil;Bordo de fuga extremidade traseira (final);

    Extradorso- superfcie superior;

    Intradorso superfcie inferior;

    Corda linha reta que liga bordo de fuga e ataque;

    Linha de curvatura mdia (ou linha mdia) linha que equidistaextra do intradorso

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    Elementos de um perfil

    Bordo de ataque extremidade dianteira do perfil;

    Bordo de fuga extremidade traseira (final);

    Extradorso- superfcie superior;

    Intradorso superfcie inferior;

    Corda linha reta que liga bordo de fuga e ataque;

    Linha de curvatura mdia (ou linha mdia) linha que equidista extra dointradorso

    No perfil assimtrico a linha mdia coincide com a corda.

    ngulo de incidncia

    ngulo formado entre a corda e o eixo longitudinal* do avio

    *Eixo longitudinal uma linha de referencia imaginaria do avio

    voo horizontal

    Escoamento

    Movimento dos fluidos gasoso ou lquidos

    Laminar ou Lamelar

    Turbulento ou turbilhonado

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    Tubo de escoamento

    Canalizao por onde escoa o fluido

    Tubo real

    Tubo imaginrio

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    Equao da continuidade

    Lei do escoamento

    Quanto mais estreito for

    o tubo de escoamento, maior ser

    a velocidade do fluido, vise-versa.

    Tnel aerodinmico equao da continuidade

    Teste de modelos de avies fase de projeto

    Presso Dinmica (q)

    Presso produzida pelo impacto do vento

    Sem vento sem presso dinmica

    Maior densidade maior q

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    Velocmetro

    Manmetro que indica a velocidade do vento relativo(presso dinmica), porem o mostrador e modificado paravelocidade e no presso

    Entrada de presso esttica

    Entrada de presso total(esttica + dinmica)

    Teorema de Bernoulli

    Quanto maior a velocidade do

    escoamento, maior ser a presso dinmica

    e menor a presso esttica.

    Bernoulli Daniel1700 - 1782,

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    Tubo de Venturi

    Diminuio da presso esttica

    Sistema PITOT-ESTTICO

    Altmetro presso esttica

    Velocmetro presso esttica e presso dinmica

    Tubo de PITOT

    Tomada de presso total

    A i d t F A di i

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    Avies de pequeno porte

    Tubo de pitot e tomada depresso esttica incorporados em umnico conjunto

    Foras Aerodinmicas

    Foras que tornam possvel o voo do avio

    lift (sustentao)

    thrust (propulso) drag (arrasto

    weight (peso)

    Resultante aerodinmica Centro de presso

    Fluxo

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    Margem deorientao

    Margem dearrasto

    Centro de presso

    Tubo de Venturi / Tnel Aerodinmico (Bernoulli)

    Perfil assimtrico formando um pequeno ngulo () com a direo do

    ngulo de ataque aumentado consideravelmente

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    Perfil assimtrico formando um pequeno ngulo () com a direo dovento relativo = ngulo de Ataque = Resultante aerodinmica

    Lembrar das ondas de presso para acelerao do wash.

    ngulo de ataque aumentado consideravelmente

    Resultante aerodinmica maior

    Avano do CP

    Entender porqueprofundor para cimaavio para cima

    Profundor para baixo

    Avio para baixo

    Perfil Simtrico

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    Perfil Simtrico

    Aumento do = resultante aerodinmica maior e CP imvel

    Mesmo de invertido?

    Decomposio da Resultante Aerodinmica

    Sustentao (lift) e arrasto (drag)

    A sustentao nem sempre vertical

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    A sustentao nem sempre vertical

    e o arrasto nem sempre paralelo

    Sustentao (L) / ngulo de ataque ()

    Difere tambm pelo tipo de perfil

    positivo sustentao positiva ngulo de ataque nulo / sustentao + ou -

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    positivo sustentao positiva

    Dirigida do intradorso para o extradorso

    ngulo de ataque nulo / sustentao + ou

    vento relativo sopra na mesma direo da corda

    ngulo de ataque donde a sustentao nula negativa

    L0

    L0 = 0 simtrico

    L0 = - assimtrico

    ngulo de ataque menor que o ngulo de sustentao nula

    puxa para baixo

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    Aumento do ngulo de ataque aumento da sustentao

    at um certo valor mximo = prestes a iniciar o turbilhonamentoextradorso

    ngulo critico

    ngulo de estol

    ngulo de sustentao mximangulo de perda

    Aumento ngulo de ataque acima do ngulo critico

    turbilhonamento extradorso

    Diminuio da sustentao aumento do arrasto

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    Coeficiente de sustentao nmero experimental: depende dongulo de ataque e formado do aeroflio (espessura e curvatura)

    Dependncia Proporcionalidade

    Coeficiente de sustentao

    Densidade do ar

    rea da Asa

    Velocidade

    Coeficiente de sustentao

    Densidade do ar

    rea da Asa

    Quadrado da Velocidade

    Arrasto

    Resistncia ao avano no deslocamento pelo ar

    Turbulncia formada atrs dos objetos

    Superfcie aerodinmica = pequena resistncia ao avano, poisproduz pequeno turbilhonamento

    Resistncia ao avano do aeroflio ou superf. aerodinmica (arrasto)

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    D

    Arrasto induzido

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    derramamentode ar

    Para diminuio do Arrasto parasita

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    1- Alongamento da Asa (Envergadura b. corda c)

    CMG = rea

    envergadura

    2- Dispositivos na asa que dificultam a formao doturbilhonamento ou vrticeinduzido.

    Tiptanque

    Turbilhonamento ou arrasto induzido maior

    nas baixas velocidades

    Maiores ngulos de ataque / TakeOff and Land

    Arrasto Parasita

  • 8/9/2019 Teoria de Voo I_Aerodinamica

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    Arrasto de todas as partes que no produzem sustentao

    Fabricante do avio: rea de placa plana equivalenteperpendicular a direo do vento relativo

    Com o valor de area plana equivalente possvel calcular oarrasto parasita do avio

    Arrasto parasita praticamente constante para pequenos

  • 8/9/2019 Teoria de Voo I_Aerodinamica

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    Partes que produzem sustentao

    Partes que no produzem sustentao

    Diferentes tipos de ngulos

    ngulo de ataque Corda Vento relativongulo de incidncia Corda e eixo longitudinal

    ngulo de atitude eixo longitudinal e linha do horizonte

    ngulo de incidncia Corda e eixo longitudinal

  • 8/9/2019 Teoria de Voo I_Aerodinamica

    36/54

    Dispositivos hipersustentadores

    Muda a simetria da asa (assimtrica ou simtrica)

    Coeficiente de sustentao Mximo = turbilhonamento noextradorso

    Aumento do coeficiente de sustentao

    Flap / Flape (aba, lbio)

    Aumenta a curvatura ou arqueamento do perfil = aumento de coeficiente de

    sustentao;

    Flapes funcionam como freio aerodinmico, pois aumentam o arrasto

    Fowler o mais importante

    simples Fowler flap

  • 8/9/2019 Teoria de Voo I_Aerodinamica

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    fenda

    A320 B737

    - flap simples: CL aumenta

    - flap ventral: CL aumenta

    - flap tipo "fowler": CL aumenta e S aumenta (este o tipo de flapmais eficiente)

    Slot (fenda ou rachadura fixa)

    Tambm aumenta o ngulo de ataque critico do aeroflio;

    Fenda que suaviza o escoamento no extradorso da asa,evitando o turbilhonamento.

    Deslocamento horizontal

    Slat (fenda ou rachadura movel)

    Ti i l d l t

  • 8/9/2019 Teoria de Voo I_Aerodinamica

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    Tipo especial de slot

    Recolhido durante o voo normal pela ao do vento

    Por ao de molas fica estendido

    Slots e slats tem a desvantagem em relao aos flaps de erguerdemasiadamente o nariz do avio nas aproximaes e

    decolagens = prejuzo da visibilidade

    Outra utilidade dos slots

    Asa entre em estou iniciando pela ponta;

    Perde de controle do aileron;

    Toro na ponta da asa (reduz ngulo de incidncia) ou;utilizar slots

    Grupos MotoPropulsores GMP

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    Propulsores - GMP

    GMP Conjunto dos componentes que

    fornecem trao necessria ao voo

    Turbojato

    Turbo-fan

    Queima todo o ar que entra

    GMP

    Turbolice

    Motor a pisto e hlice

    Definies de Potncia trao dinammetro

    Potncia efetiva potencia medida no eixo da hlice

    Mono e bimotores de pequeno porte so construdos acopladosa um GMP com motor a pisto e hlice de duas a vrias ps.

  • 8/9/2019 Teoria de Voo I_Aerodinamica

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    Potncia efetiva potencia medida no eixo da hlice,

    Pot. Nominal a potencia efetiva mxima para qual o motor

    foi projetado (no varia valor);

    Pot. til potencia de trao desenvolvida pela hlice sobre oavio (Pot. Disponvel)

    Hlice pega a Pot. Efetiva e converte em Pot. de traoAs hlices podem ser feitas de vrios materiais:

    madeira = baixa potencia (Paulistinha)

    ligas de alumnio ou ao = avies mais fortes e maismodernos

    Hlice aeroflio rotativo

    - Produz fora til ao voo (fora de trao sobre o avio)

    Seo da p cortadamovimenta para baixo

    Passo de hlice

    Ps torcidas deveria funcionar como um parafuso avanando

    Passo terico ideal de deslocamento (avano)

  • 8/9/2019 Teoria de Voo I_Aerodinamica

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    Ps torcidas deveria funcionar como um parafuso avanandouma determinada distancia a cada rotao completa.

    Entretanto o ar um fluido avano real hlice passo efetivo

    Distancia que a hlice deixou de percorrer = recuo

    Passo terico passo efetivo = recuo (Pt Pe = Re)

    Qual o melhor ngulo de rotao?

    Depende da velocidade do avio e da rotao do motor.

    Como a hlice gira e ao mesmo

    tempo avana para frente,

    o vento relativo que incide

    sobre a p inclinado.

    ngulo determinado pelo fabricante

    Aumento da velocidade

    Aumento do ngulo do vento relativo

    No existe um passo ou toro da p ideal

    para todas as fases do voo

  • 8/9/2019 Teoria de Voo I_Aerodinamica

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    Aumento do ngulo do vento relativo

    Ideal que se aumente a toro

    das ps para que se mantenha

    o ngulo de ataque (fora de trao igual)

    para todas as fases do voo

    Hlice com pequena rotao boa para decolagem e subidas;

    ruim para cruzeiro e alta velocidade

    Hlice muito torcida ruim para decolagem e subidas; boa paracruzeiro e velocidades maiores

    POUCA TORO DA P MUITA TORO DA P

    Embandeirado

    Hlice de passo fixo

    Fabricada com uma determinado

    passo, o qual no pode ser

    Modificado;

    Bom funcionamento em uma

    determinada RPM

    (velocidade de voo para qual foi construda)

    Hlice de passo ajustvel

    O passo pode ser modificado no solo (uso de ferramentas

    Hlice de passo controlado (dentro da cabine)

    Passo pode ser modificado durante o voo;

  • 8/9/2019 Teoria de Voo I_Aerodinamica

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    p p (adequadas);

    A hlice s funcionara bem para a RPM e velocidade ajustada.

    p ;

    Funciona bem em qualquer fase do voo (RPM e Velocidade);

    Hlice de passo controlado (dentro da cabine)

    1- Comando Manual (Manete geralmente Azul)

    Hlice de passo controlado (dentro da cabine)

    2- Comando automtico - Contrapesos e Governador umatuando sobre o outro (King Air)

    Contrapeso passo automaticamente

    ajusta por contrapesos (ao centrifuga);

    Governador uso de sistema

    eltrico ou hidrulico.

    Hlice de passo controlado automaticamente so chamadas

    de hlice de RPM constante ou de velocidade constante

    Voo horizontal - velocidade constante

    Sustentao igual ao peso

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    g p

    Trao da hlice igual ao arrasto

    Grande velocidade pequeno ngulo de ataque

    Para diminuir a velocidade mantendo o voo horizontal, precisoaumentar o ngulo de ataque.

    Menor velocidade possvel = ngulo de ataque crtico =

    velocidade de estol = coeficiente de sustentao mximo =

    avio na iminncia de estol

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    Ultrapassando ongulo crtico, inicia-seo estol e a sustentaodiminui rapidamente

    Assim impossvelmanter o voohorizontal. Somente sea velocidade foraumentaconsideravelmente.

    Pequenos aumentos de alem do ngulo crtico exige muita potncia

    muito importante para a manuteno do voo

    No h indicao do ngulo de ataque

    Voar em alta velocidade = aumentar potncia

    Voar em baixa velocidade = diminuir potncia

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    Velocmetro indica este ngulo

    Quebra da regra

    Voo horizontal

    Explicao simples: baixas velocidade requerem grandes ngulos de ataque

    Potncia disponvel fazer leitura p 37

    Superpondo as curvas de potncia necessria com disponvel

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    Vlc. mximaVlc. Mximo alc

    Vlc. estol Vlc. Mxima autonomia

    Vlc.minima

    Arrasto em voo horizontalno varia com a altitude,

    apenas com a velocidade

    e .

    Variaes da velocidade em voo nivelado

    Depende de peso, altitude, rea da asa entre outros...

    Regras do voo nivelado (horizontal)

    1 regra prtica: usada para qualquer velocidade. velocidade mxima

    Regras do voo nivelado (horizontal)

    2 regra prtica: usada solucionar questes a respeito da potencianecessria ao voo horizontal

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    necessria ao voo horizontal.

    Regras do voo nivelado (horizontal)

    3 regra prtica: usada somente para velocidade mxima

    Resumo das regras do voo nivelado (horizontal)

    UNIVERSIDADE CATLICA DE GOIS UCG

    Voo Planado

    Ladeira 30de declive

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    Aerodinmica e Teoria de Voo

    Prof. Gustavo Montoro

    Ladeira 30 de declive

    Movimento: ao da gravidade

    Teorema de Pitgoras: O quadrado da hipotenusa iguala soma dos quadrados dos catetos (ax e ay)

    Modo semelhante para o avio ao voar sem trao do motor

    Trajetria descendente voo planadoAvio impulsionado poruma fora de 500 Kgf

    Sustentao igual 866 Kgf(menor que o peso)

    ngulo formado entre a trajetria de voo e

    a linha do horizonte = ngulo de planeio

    Velocidade de melhor planeio

    - Velocidade de menor ngulo de descida;

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    Este ngulo tanto menor quanto maior o CL e

    menor o CD do avio.

    - O avio planeia a maior distancia possvel;

    - Coincide com a Velocidade de mximo alcance

    Aumento do ngulo de ataque no voo planado

    - Aumenta o tempo de planeio (velocidade de mxima autonomia)

    - Porm menor distancia percorrida;

    - Velocidade de menor razo de descida (mnimo de afundamento).

    Diminuio do ngulo de ataque para aumento da velocidade Velocidade final

    Velocidade mxima que o avio pode atingir num mergulho ouplaneio vertical

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    planeio vertical.

    Sustentao nula

    Trajetria vertical

    L0 - ngulo de sustentao nula

    Velocidade aumenta ate se estabilizar com o D

    Peso = D

    Velocidade Final velocidade Limite

    Razo de descida

    Altura perdida por unidade de tempo

    Varimetro (climb): R/D medida em m/s ou ft/min

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    Influncia do Vento

    Vento de cauda (tail) aumenta a VS e a distncia de planeio e .

    Vento de proa (head) o oposto.

    VA, VI e R/D no se alteram, pois em relao ao ar o, o aviovoa como se o vento no existisse

    Influncia da Altitude

    Grandes altitudes, ar rarefeito

    Somente torna o planeio mais rpido

    aumentando assim a VA e R/D

    Vi no alterada

    O piloto pode manter a mesma Vi estimando o

    mesmo alcance de planeio

    Chega ao solo com maior velocidade

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