O que é a aerodinâmica?

Aerodinâmica é o estudo de como os gases interagem com corpos em movimento. Saiba tudo sobre esta ciência.

Como o gás que encontramos maioritariamente é o ar, a aerodinâmica está principalmente preocupada com as forças de arrasto e sustentação, que são causados pelo ar que passa sobre e ao redor de corpos sólidos.

Engenheiros aplicam os princípios da aerodinâmica para projetar muitas coisas diferentes, incluindo edifícios, pontes e até mesmo bolas de futebol. No entanto, a principal preocupação é a aerodinâmica de aviões e automóveis.

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A aerodinâmica entra em jogo no estudo de voo e na ciência da construção e operação de uma aeronave, que é chamado de aeronáutica. Engenheiros aeronáuticos usam os fundamentos da aerodinâmica para projetar aviões que voam através da atmosfera da Terra.

Arrasto aerodinâmico

A força aerodinâmica mais significativa que se aplica a quase tudo o que se move através do ar é o arrasto. O arrasto é a força que se opõe ao movimento de um avião através do ar, de acordo com a NASA. O arrasto é gerado na direção em que o ar se está movendo quando ele encontra um objeto sólido. Na maioria dos casos, como em automóveis e aviões, o arrasto é indesejável.

Existem, contudo, alguns casos em que o arrasto é benéfico, tais como em pára-quedas. Para descrever a quantidade de arrasto sobre um objeto, usamos um valor chamado coeficiente de arrasto (CD). Este número não depende apenas da forma do objecto, mas também de outros fatores, tais como a sua velocidade e a rugosidade da superfície, a densidade do ar e se o fluxo é laminar (liso) ou turbulento.

Forças que afetam o arrasto incluem a pressão de ar de encontro à face do objecto, o atrito ao longo dos lados do objecto e a pressão relativamente negativa, ou sucção, à volta do objecto. O coeficiente de arrasto para automóveis modernos é 0,25 a 0,35, e para aeronaves que é de 0,01 a 0,03. O cálculo do CD pode ser complicado. Por esta razão, é geralmente determinada por simulações de computador ou ensaios em túnel de vento.

Aerodinâmica de aviões

A fim de superar forças de arrasto, as aeronaves devem gerar empuxo. Isso é feito com uma hélice motorizada ou um motor a jato. Quando o avião está em voo nivelado a uma velocidade constante, a força do impulso é apenas o suficiente para compensar o arrasto aerodinâmico.

Ar em movimento também pode gerar forças em uma direção diferente do fluxo. A força que evita que um avião caia é chamada de elevação. Elevação é gerada por uma asa de avião. O caminho sobre o topo de uma asa curva é maior do que o percurso ao longo da parte inferior plano da asa. Isto faz com que o ar se mova mais rapidamente através da parte superior do que na parte inferior.

Com todos os outros fatores iguais, o ar mais rápido em movimento tem pressão mais baixa do que o ar mais lento, de acordo com o princípio de Bernoulli. Esta diferença é o que permite que o ar em movimento mais lento empurre para cima a parte inferior da asa com uma força maior do que o ar em movimento mais rápido que empurra para baixo a parte superior da asa.

Em nível de voo, esta força para cima é o suficiente para neutralizar a força descendente causada pela gravidade. As forças aerodinâmicas também são usadas para controlar uma aeronave em voo. Quando os irmãos Wright fizeram o seu primeiro voo em 1903, eles precisavam de uma maneira de controlar as suas aeronaves para subir, descer, e virar. Eles desenvolveram o que é conhecido como controle de três eixos de inclinação, rotação e guinada.

Esses controles utilizam a Terceira Lei de Newton do Movimento porque geram força, desviando o fluxo de ar na direção oposta do movimento desejado. Esta força é também o que permite que aviões acrobáticos voem de cabeça para baixo.

Aerodinâmica de automóveis

Os automóveis começaram a usar formas do corpo aerodinâmico na parte inicial da sua história. Como os motores se tornaram mais poderosos e os carros se tornaram mais rápidos, os engenheiros automobilísticos perceberam que a resistência do vento dificultava significativamente a sua velocidade. Os primeiros carros a adotar uma melhor aerodinâmica, ou racionalização, foram carros de corrida e aqueles que tentaram quebrar o recorde de velocidade em terra.

Em relação à aerodinâmica de um carro de corrida, o Dr. Joe David, professor de engenharia mecânica e aeroespacial, e conhecido como "Mr. Stock Car" na North Carolina State University, diz que "a maior parte da potência gerada por um motor de corrida é devorado pelo ar de alta pressão que empurra o carro para a frente e o ar de baixa pressão - um vácuo parcial – que arrasta o carro para trás".

No entanto, o arrasto não pode ser a única consideração. Enquanto a elevação é desejável em um avião, pode ser perigoso para um automóvel. A fim de manter um melhor controle de direção e frenagem, os carros são projetados para que o vento exerça uma força para baixo à medida que aumenta a sua velocidade.

No entanto, aumentar esta força descendente aumenta o arrasto, que por sua vez aumenta o consumo de combustível e os limites de velocidade, de modo que estas duas forças devem ser cuidadosamente equilibradas. Muitas classes de carros de corrida usam aerofólios semelhantes a asas móveis para ajustar a força descendente do ar sobre o carro.

Na criação de um carro de corrida, é preciso também considerar a turbulência causada por outros carros na pista. Isso requer definir os aerofólios no carro para produzir uma maior força descendente durante a prova do que é necessário para a qualificação quando o carro está sozinho em pista. É por isso que os tempos de volta durante a qualificação são geralmente muito mais rápidos do que durante a corrida.

Muitos dos mesmos princípios aerodinâmicos usados em corridas também se aplicam aos carros normais. Engenheiros automotivos usam simulações computacionais e experimentos em túnel de vento com modelos em escala e veículos reais para afinar a aerodinâmica dos carros. [Livescience]