como funciona o avião

Avião: como funcionam as aeronaves?

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Toda aeronave mais pesada que o ar, seja um planador ou um avião a jato, depende da aplicação da energia mecânica ao ar circundante, de forma a receber um impulso para cima, sustentando-a contra as forças da gravidade. Isso ocorre com autogiros, helicópteros, aviões e tudo o que possa ser descrito como uma aeronave, ao contrário do que acontece com os dirigíveis, cuja sustentação decorre do fato de serem mais leves que o ar.

Num planador, a energia de ascensão é fornecida por uma avião rebocador ou por um guincho de lançamento. As asas têm a seção transversal, com uma forma conhecida como aerofólio, que lhes dá sustentação pelo movimento através do ar, enquanto que uma empenagem traseira, composta de dois estabilizadores, garante uma estabilidade adicional e permite que o piloto controle a direção do voo. Quando o suprimento de energia é interrompido, o planador começa a descer e deve fatalmente retornar ao solo, apesar das correntes de ar quente ascendentes (termais) que podem mantê-lo no ar por mais algum tempo. Para que uma nave mais pesada que o ar se mantenha no alto, é necessária uma entrada contínua de energia, que proporcione o movimento para a frente, contra a resistência do ar. As hélices, jatos ou foguetes, acionados por motor, fornecem o impulso necessário não só à permanência no ar, como também à subida do aparelho na decolagem.

Quem inventou o avião?

Pergunte a qualquer brasileiro sobre quem inventou o avião e eles dirão Alberto Santos-Dumont, um bon vivant, tão conhecido por suas proezas aéreas quanto por seu estilo dândi e sua vida na alta sociedade, na Belle Epoque em Paris.

Como Paul Hoffman relata em sua biografia de Santos-Dumont Asas da Loucura: A extraordinária vida de Santos-Dumont, o brasileiro excêntrico foi a primeira e única pessoa a possuir uma máquina voadora pessoal que poderia levá-lo a qualquer lugar que ele quisesse.

“Ele mantinha seu dirigível amarrado a um poste de luz em frente ao seu apartamento em Paris, na Champs-Elysées, e todas as noites viajava para jantar no Maxim’s. Durante o dia voava para fazer compras, voava para vistar amigos…”, afirma Hoffman.

Um idealista que acreditava que o voo era espiritualmente reconfortante, Santos-Dumont financiou seu estilo de vida luxuoso e experiências aéreas em Paris com a herança que seu pai cafeicultor o havia deixado quando ainda jovem.

Foi em 12 de novembro de 1906, quando Santos-Dumont voou pela primeira vez o 14-Bis, por cerca de 220 metros nos arredores de Paris. Por ser o primeiro voo público documentado do mundo, ele foi aclamado como o inventor do avião em toda a Europa.

Foi só mais tarde que os secretos voos de Orville e Wilbur Wright, os Irmãos Wright, provaram que haviam saído na frente de Santos-Dumont em Kitty Hawk, Carolina do Norte, três anos antes, no dia 17 de dezembro.

Porém, o grande embate gira em torno de como os voos foram alcançados de maneiras diferentes. Santos-Dumont e seu 14-Bis tinham propulsão própria, enquanto a aeronave dos irmãos Wright precisava de uma catapulta para alçar voo.

Outro ponto que alimenta a discussão é o que torna cada uma das máquinas um avião. Máquinas voadoras já existiam há algum tempo, Santos-Dumont inclusive fazia uso delas todos os dias. Seu 14-Bis tinha uma mecânica de voo um pouco primitiva, enquanto a aeronave dos irmãos Wright já possuía uma mecânica de voo bastante similar aos aviões que se consolidaram (algo que viria para Santos-Dumont com o Demoiselle, poucos anos depois).

Avião: desenho e forma

desenho com vários aviões de diferentes décadas que transformaram a forma de voar

O formato dos aviões quase não sofrei alteração desde os primeiros anos do século passado, embora tenham surgido perfis mais filados a partir do advento dos voos supersônicos. Basicamente, um avião é composto de uma fuselagem em forma de charuto, para transportar a tripulação, a carga e os passageiros, um par de asas, localizado mais ou menos no meio da estrutura, e uma empenagem traseira, formada por um plano horizontal e um leme de direção, vertical. Além disso, há um ou mais motores, montados praticamente em qualquer lugar do avião, desde o interior da fuselagem propriamente dita, até as pontas das asas.

Nesse tipo de avião, a sustentação se concentra geralmente apenas nas asas. Assim, o centro de sustentação destas corresponde, normalmente, ao centro de gravidade do avião.

As asas não formam uma linha horizontal contínua, mas têm as pontas um pouco levantadas em relação ao centro, formando o chamado ângulo diedro. Esse ângulo resulta em maior sustentação da asa que se encontra numa posição inferior, quando o avião se inclina para um dos lados, razão pela qual o aparelho tende a voltar à posição horizontal.

A sustentação real produzida pelas asas varia com a velocidade do avião. Quanto mais rápido ele voar, mais sustentação será produzida, explicando de maneira simplista. Assim, o aparelho tem que ganhar uma velocidade considerável no solo antes de obter sustentação suficiente para decolar. Maiores velocidades implicam em maior resistência do ar (mais dificuldade para o avanço). Por isso, os jatos e outros aviões de alta velocidade têm as asas mais delgadas, que oferecem pouca resistência quando comparadas às asas dos aviões mais antigos.

Desenho explodido de um Boeing 747-800.

Se um avião reduzir sua velocidade abaixo do que se conhece como velocidade de stol, cairá imediatamente, pois a sustentação será insuficiente para mantê-lo na posição horizontal. Para os aviões de asas delgadas, a velocidade tende a ser mais alta do que para os de asas mais grossas; por essa razão, os aviões a jato necessitam de velocidades mais altas para decolar e aterrissar. Seria difícil controlar um avião se esses fatores não pudessem variar. O avião a jato necessitaria de pistas enormes, devido a sua velocidade mínima ser muito alta; por outro lado, se tivesse asas mais grossas, sua velocidade máxima seria diminuída.

Um dispositivo conhecido como flap foi desenvolvido para modificar uma seção da asa, a fim de que a sustentação possa ser alterada pelo piloto. Parte do bordo de fuga da asas, algumas vezes, do bordo de ataque também, pode dobrar-se para baixo, aumentando a curvatura do aerofólio e proporcionando mais sustentação em velocidades mais baixas. A dobradiça é geralmente projetada para abrir um vão entre a asa e o flap, através do qual o ar pode fluir livremente, reduzindo-se a turbulência. Quando movimentados para baixo, os flaps aumentam a resistência ao avanço, diminuindo a velocidade do aparelho. Este efeito pode ser maior, em alguns aviões, se forem abertos flaps transversais, em cima das asas ou em outro local. Esses flaps são conhecidos também como freios de ar.

Controles do avião

Diagrama dos controles de um avião
As superfícies de controle inclinam o avião ao redor de três eixos.

Durante o voo, o avião tem que se mover de três maneiras básicas: num ângulo vertical – para cima e para baixo; num ângulo horizontal – de um lado para outro; e rolando ao redor de um eixo longitudinal. O movimento vertical é controlado pelas superfícies móveis, chamadas de elevadores, localizadas no bordo de fuga do estabilizador horizontal. Movendo-se esses elevadores para cima, encurva-se o estabilizador horizontal num aerofólio de curva invertida; o resultado é uma pressão que força o estabilizador para baixo, fazendo com que o avião tenha sua frente levantada, em posição de subida. Baixando-se os elevadores, o efeito é exatamente o oposto.

Diagrama com a explicação dos movimentos do avião em seus eixos.
Os ailerons giram o aparelho ao longo do eixo longitudinal. Os elevadores fazem o avião subir e mergulhar. O leme leva-o a escorregar horizontalmente. Nas curvas normais, o avião escorrega e rola para dentro da curva.

Controla-se o movimento horizontal por meio de uma superfície móvel no estabilizador vertical, conhecido como leme. No caso de apenas o leme ser usado, o avião “derrapa” lateralmente; mas essa maneira de se fazer uma curva é “errada” e mal controlada. Não há uma força contrária horizontal que evite o avião a continuar a virar. Além disso, a força centrífuga horizontal joga os passageiros e a tripulação para o lado de fora da curva. Movendo-se os ailerons, superfícies de controle nas extremidades das asas, o avião pode ser forçado a se inclinar ou rolar para o lado interno da curva, ao mesmo tempo que o leme o faz virar de tal maneira que ele se inclina na direção do centro da curva, como, por exemplo, uma bicicleta.

Nos aviões primitivos, as superfícies de controle – alierons, elevadores e leme – eram movidas pela ação direta do piloto, através de cabos de controle (e isso ainda acontece em alguns aviões pequenos). Com os modernos e maiores aviões, as forças aerodinâmicas que agem sobre as superfícies de controle são demasiadamente grandes para a ação direta e as operações se realizam, geralmente, por meio de cilindros hidráulicos, comandados pelos pilotos através de servomecanismos totalmente mecânicos, parcialmente mecânicos ou totalmente eletrônicos (Fly By Wire).

Diagrama mostrando o funcionamento dos flaps e o ângulo de diedro.
Os flaps são montados no bordo de fuga da asa. Sua ação é, às vezes, ampliada por um rebaixamento no bordo de ataque. Baixando-se os flaps, aumenta-se a área efetiva do aerofólio e a asa desenvolve mais sustentação em baixa velocidade (consequentemente, mais arrasto). As asas do avião formam um ângulo de diedro, o que faz o avião ter a tendência de voltar à posição original.

Grosso modo, o sistema opera de maneira similar à direção hidráulica de um carro. Essa ajuda adicional faz com que os controles de um avião moderno seja bastante leves, restando, no entanto, um mínimo de resistência, o suficiente para que o piloto saiba se as superfícies de controle estão respondendo de maneira correta.

Para mover os elevadores, o piloto precisa acionar sua coluna de controle para frente e para trás; no caso dos ailerons, é suficiente girar a direção montada na coluna de controle. O leme é operado por dois pedais, deixando as mãos do piloto livres para cuidarem das demais superfícies de controle da aeronave.

O avião do futuro serão supersônicos?

O esquema do avião convencional deverá permanecer o mesmo por muitos anos ainda, mas exitem agora outros tipos de aeronaves para finalidades específicas. Entre eles, um dos principais é o avião supersônico, que geralmente tem as asas em forma de delta, para diminuir a um mínimo a resistência ao avanço e evitar problemas com a onda de choque causada pelo voo supersônico. Frequentemente esse tipo de aeronave não tem empenagem. Os ailerons se duplicam como elevadores e são conhecidos como elevons.

Diagrama de aviões supersônicos explicando o funcionamento dos elevons e asas de geometria variável.
Esse avião com asas fixas em delta não possui estabilizadores separados, assim, não pode ter elevadores e ailerons individuais. Suas asas são dotadas de elevons – superfícies de controle que combinam as duas funções.

As linhas do avião supersônico diferem do perfil das aeronaves subsônicas; contudo, os primeiros também têm que voar a uma velocidade inferior à do som. O resultado é um avião ineficiente em ambos os tipos de voo. Para resolver esse problema, os projetistas de avião criaram várias soluções, entre elas as asas móveis (de geometria variável). Nos voos subsônicos, elas se abrem para fora da fuselagem, a fim de produzir a sustentação adequada; nos voos supersônicos, retraem-se para trás, dando ao avião o formato de delta. Para se chegar a esse resultado foi necessário superar muitos problemas mecânicos.

Nos últimos 90 anos, o formato dos aviões tem atendido, geralmente, às necessidades impostas pelas forças armadas de diferentes países. Mas, à medida que as viagem aéreas se tornam mais difundidas, os modelos comerciais também vão sendo aperfeiçoados, incorporando soluções que, de início, eram destinadas essencialmente a projetos militares.

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