Teorias da Elevação

Um equívoco popular é que os irmãos Wright, além de todas as suas outras realizações, inventaram o aerofólio. Eles não. Sir John Cayley, um engenheiro inglês que também identificou pela primeira vez as quatro forças de voo - sustentação, arrasto, empuxo e peso - desenvolveu o aerofólio curvo por meio de experimentos detalhados. Sua obra em três partes, On Aerial Navigation, publicada em 1809 e 1810, é frequentemente citada como a primeira descrição do que hoje chamamos de avião. Também hoje, ensinamos que as teorias de Sir Isaac Newton (1642-1726) e do matemático suíço Daniel Bernoulli (1700-1782) fornecem a ciência detalhada que explica a sustentação. Eles não, pelo menos não totalmente.

O problema básico é que nenhuma das teorias explica completamente as observações do mundo real. O princípio de Bernoulli – de que o ar mais rápido no topo da asa sofre pressão reduzida – está correto, mas não explica por que está correto. Também não explica o voo invertido. É aí que a segunda e a terceira leis de Newton (consulte a barra lateral abaixo para obter detalhes) entram em ação. Juntas, as leis de Newton descrevem como podemos voar invertido e como funciona o ângulo de ataque. Mas eles não têm os detalhes que precisamos de Bernoulli. Ainda assim, uma vez que colocamos Bernoulli e Newton na mesma sala, e espalhamos um pouco de Cayley por toda parte, temos uma ideia prática de como construir e pilotar um avião. Mas ainda não sabemos exatamente por que o ar no topo da asa está a uma pressão menor do que o ar embaixo dela.

Provavelmente nos disseram na escola de solo que a área de baixa pressão no topo da asa resulta do fato de as partículas de ar que passam sobre ela terem que acelerar em relação ao ar abaixo da asa, de modo que ambos cheguem ao bordo de fuga ao mesmo tempo e junte-se novamente. Isso é comumente conhecido como teoria do "caminho mais longo" ou "tempo de trânsito igual".

Mas não há ciência que diga que as partículas de ar devem chegar simultaneamente. De fato, de acordo com o Glenn Research Center da NASA, "a velocidade real sobre o topo de um aerofólio é muito mais rápida do que a prevista pela teoria do 'Caminho mais longo' e as partículas que se movem sobre o topo chegam ao bordo de fuga antes que as partículas se movam sob o aerofólio. " (grifo nosso).

Sim, a superfície superior curvada da asa estabelece uma área de ar de baixa pressão acima dela, mas não há efeito venturi porque não há venturi. Bernoulli realmente não nos diz por que isso acontece, apenas que acontece. Bernoulli também não explica como projetos de asas sem curvatura - aqueles sem uma superfície superior curva, ou quase isso - podem gerar sustentação, ou como aerofólios simétricos, com curvaturas idênticas na parte superior e inferior, também a criam. E ainda nem chegamos ao voo invertido.

Como diz a NASA: "Podemos... usar a equação de Bernoulli para calcular a pressão e realizar o cálculo da área de pressão e a resposta que obtemos não concorda com a sustentação que medimos para um determinado aerofólio. A sustentação prevista pelo 'Equal Transit ' teoria é muito menor do que a sustentação observada, porque a velocidade é muito baixa. A velocidade real sobre o topo de um aerofólio é muito mais rápida do que a prevista... e as partículas que se movem sobre o topo chegam ao bordo de fuga antes das partículas que se movem sob o aerofólio ."

Uma maneira de explicar o voo invertido é a terceira lei de Newton, de que toda ação tem uma reação igual e oposta. A demonstração mais simples é colocar a mão para fora da janela de um automóvel em movimento. Ao manter sua mão na horizontal em relação ao ar que entra, há pouca resistência. Segure sua mão perpendicularmente, no entanto, e o ar em movimento tende a empurrá-la para trás, em direção à parte de trás do carro. Você precisará flexionar o braço para a frente para mantê-lo no lugar. Se você mantiver sua mão em, digamos, um ângulo de 45 graus, ela tende a se mover para trás e para cima ao mesmo tempo. Você precisa flexionar o braço para frente e para baixo para combater o efeito.

O movimento de sua mão na perpendicular e no ângulo de 45 graus demonstra a terceira lei de Newton, em relação a reações iguais e opostas: quando o ar que se aproxima encontra sua mão, ele empurra para cima e/ou para trás. A mesma coisa acontece quando uma asa – ou qualquer outra superfície – é posicionada em um ângulo não alinhado com o vento relativo.