Aerodinâmica | Princípios Teóricos e Experimentais
Estudos detalhados sobre a resistência oferecida pelo ar e a estabilidade de veículos em movimento são essenciais à fabricação dos automóveis modernos, dos aviões e de todos os meios de transporte que se deslocam a grandes velocidades.
Trata-se de uma disciplina científica de enorme importância prática no âmbito das indústrias militar e de transporte; de fato, seu objetivo essencial é a determinação dos princípios que controlam o movimento e a estabilidade de aviões, barcos e trens de alta velocidade, bem como aqueles aspectos relacionados ao deslocamento de projéteis e mísseis.
Além disso, as leis estabelecidas através de análises aerodinâmicas são
aplicáveis também na engenharia civil, uma vez que eles regem, entre
outras coisas, as forças de resistência apresentadas por pontes e demais
edificações quando submetidas à ação de ventos de grande intensidade.
Princípios teóricos e experimentais
Os estudos aerodinâmicos têm como
objetivo fundamental a manutenção, nos corpos analisados, do denominado
estado de equilíbrio dinâmico, no qual as forças desenvolvidas durante
seu movimento devem ser compensadas por aquelas produzidas pelas massas
de ar, em cujo interior o corpo se desloca. As leis que regulam essa
disciplina utilizam a análise matemática para descrever as condições
ideais de voo ou de deslocamento sobre superfícies sólidas ou líquidas.
Embora o campo de aplicação da teoria aerodinâmica englobe especialidades tão distintas quanto o tratamento das resistências do ar, a ventilação de altos-fornos ou o desenho industrial de aviões, trens e automóveis, seu maior interesse está centrado na descrição das forças que intervêm no deslocamento dos corpos no ar.
Essa disciplina teve sua origem nos trabalhos de Galileu Galilei,
Christiaan Huygens e Isaac Newton, os quais, por meio de diferentes
experiências, estabeleceram o conceito de resistência do ar,
determinando, também, sua magnitude. Esses pesquisadores concluíram que o
valor dessa grandeza é proporcional ao quadrado da velocidade do corpo
móvel, ao quadrado do seno do seu ângulo de inclinação, à densidade do
ar e à seção do objeto perpendicular à direção da corrente de ar.
A partir dessa relação, baseada em princípios mecânicos, numerosos estudiosos desenvolveram as mais diversas teorias sobre os efeitos da viscosidade do ar e da sustentação -- força perpendicular à direção do corpo, que o sustenta em movimento --, entre outros conceitos que formaram o núcleo dos princípios aerodinâmicos.
Partindo-se do conjunto básico de leis gerais, é possível obter-se dados, os quais, por sua vez, permitem fabricar maquetes de aviões e demais veículos sobre as quais são realizados os testes que irão determinar o desenho final desses equipamentos.
Cientistas como o inglês Frederick William Lanchester e Ludwig Prandtl, físico alemão considerado o pai da aerodinâmica moderna, realizaram investigações que revolucionaram os estudos de estabilidade, sustentação e equilíbrio de corpos em voo. Seus trabalhos assentaram as bases para a solução de problemas que foram surgindo à medida que a velocidade dos veículos em geral, e em particular, dos aviões, era aumentada.
Fatores como ondas de choque, formadas pela acumulação de pressão ao ultrapassar-se a velocidade do som; as camadas -- limite, nas quais são produzidos deslocamentos de forças originadas pela viscosidade; ou os fenômenos térmicos, característicos das velocidades elevadas, são algumas das variáveis que devem ser consideradas no estudo aerodinâmico de aparelhos destinados a superar a velocidade do som.
Meios de ensaio e observação - Para realizar suas experiências, a maioria
dos laboratórios destinados a estabelecer os condicionamentos
aerodinâmicos do projeto de meios de transporte, utiliza os denominados
túneis de vento, instalações nas quais se submete uma maquete do veículo
que se deseja analisar a correntes de ar forçadas, de velocidade
controlada. Existem diferentes tipos de túneis de vento, classificados
em túneis de circuito aberto ou fechado, e de funcionamento contínuo ou
com utilização de rajadas controladas de ar.
Por outro lado, de acordo com a velocidade que se deseja obter, essas instalações podem ser classificadas ainda em: subsônicas, se as velocidades nela desenvolvidas forem inferiores à do som; supersônicas, quando estão compreendidas entre cinco e dez vezes o valor dessa velocidade; ou hipersônicas, se as forças desenvolvidas em seu interior resultam em velocidades superiores a dez vezes a do som.
Os ensaios realizados nesses túneis oferecem a possibilidade de calcular a intensidade das forças atuantes, mediante a obtenção da resultante de suas três componentes parciais: as denominadas forças de sustentação, as de resistência ao deslocamento do veículo e aquelas associadas a esforços laterais.
Da mesma forma, essa análise permite otimizar a resistência, o desenho e a posição de cada elemento da estrutura, pela avaliação dos esforços aplicados a esse componente. A esse respeito, cabe ressaltar o interesse na visualização das correntes de saída do ar, durante o ensaio da maquete no túnel de vento. As imagens podem ser obtidas diretamente por meio de fotografias do processo, em condições adequadas de iluminação, ou mediante a análise de diagramas analíticos. Para tal, recorre-se , frequentemente ao traçado de curvas sobre um sistema de eixos cartesianos, as quais representam as forças principais que devem ser analisadas para obter as condições aerodinâmicas desejadas.
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