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UNIVERSIDADE CATÓLICA DE GOIÁS – UCG Aerodinâmica e Teoria de Voo Prof. Gustavo Montoro Matemática PRODUTO – 2.4 = 8 QUOCIENTE ou RAZÃO – 18/2 = 9 QUADRADO – 72 = 49 CUBO – 43 = 64 RAIZ QUADRADA – 81 = 9 DIRETAMENTE PROPORCIONAL – distância e tempo INVERSAMENTE PROPORCIONAL – combustível e tempo Capítulo 2 - Física (base da teoria de voo) Velocidade (grandeza) •Km/h (quilômetros por hora) (escala) •Mph (milhas terrestre por hora) 1,609 km/h •kt (knot ou nó ou milha náutica 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 Massa (grandeza) •Quantidade de matéria contida em um corpo; •Invariável Kg – quilograma (escala) Lb – libra (0,4536 Kg) (escala) Quanto maior for a massa de um corpo maior será sua inércia (velocidade alterada). A massa de um corpo é a medida da inércia deste corpo. Força (grandeza) Produz ou modifica o movimento de um corpo; Para mudar a direção e preciso o uso da força (quebra na inércia) Escalas •Kgf – quilograma-força 1 Kgf = 9,8N (SI) •Lbf – libra-força F = m.a (2ª lei de Newton) - - - - m = F/a 1 Kgf é a força com que a Terra atrai o quilograma padrão ao núcleo Dinamômetro = aparelho que mede a força Peso •Junção da massa com a gravidade P = m.g (g = 9,8m/s2) •Variável; •Gravidade maior nos pólos do que no equador, assim o seu peso e maior nos pólos. Trabalho Força pelo deslocamento W = F.d No SI ---- N.M = J Potência (P) – trabalho (W) produzido por unidade de tempo P = Força . Velocidade / P = W/t Potencia Geralmente medida em HP (Horse Power) 1HP = 1 cavalo robusto puxando com a força de 76 Kgf, à um velocidade de 1m/s 1 HP = 735W (Kgf.m) Potência (P) – trabalho (W) produzido por unidade de tempo P = Força . Velocidade / P = W/t Potencia Geralmente medida em HP (Horse Power) Aceleração (a) - variação da velocidade por unidade de tempo de um corpo. a = Força / massa a > 0 – movimento acelerado a < 0 –movimento retardado a = velocidade(m/s) / tempo(s) Inércia – tendência natural dos corpos permanecerem em repouso ou em movimento retilíneo uniforme. 1ª Lei de Newton: Na ausência de forças resultantes, um corpo em repouso continua em repouso. Já um corpo em movimento continua em movimento em linha reta e com velocidade constante. Densidade – massa por unidade de volume. D = m/V EX: Densidade da Gasolina é 0,72 Kg/litro para cada litro a massa é de 0,72 Kg Movimento ou torque Tudo aquilo que pode causar rotação M = F.d Ação e Reação 3ª Lei de Newton - para toda ação haverá uma reação de igual intensidade,porém em sentido contrário. Pressão Força por unidade de área (P = F/A). Lb/pol2 no SI N/m2 = Pa (pascal) Pressão atmosférica = pressão exercida pelo peso do ar atmosférico sobre um objeto. Energia Tudo aquilo que pode realizar trabalho (SI = J) 1- Energia Cinética: energia contida nos corpos em movimento; 2- Energia Potencial gravitacional: energia acumulada em um corpo, disponível para ser utilizada. Geralmente contida em corpos colocados em locais elevados. 3- Energia de Pressão: energia acumulada nos fluidos sob pressão Vetor Toda grandeza matemática que possui intensidade, direção e sentido; Certas grandezas não podem ser representadas por vetores. Temperatura por exemplo Vetor Composição de vetores – é um método para determinar a resultante de vários vetores Teorema de Pitágoras:O quadrado da hipotenusa é igual a soma dos quadrados dos catetos (ax e ay) Vetor Decomposição de vetores – é um método para determinar as componentes de um vetor Vento relativo Vento aparente que sopra sobre um corpo em movimento na atmosfera, geralmente no sentido contrario ao do movimento Vento relativo Vento aparente que sopra sobre um corpo em movimento na atmosfera, geralmente no sentido contrario ao do movimento Vento relativo Vento aparente que sopra sobre um corpo em movimento na atmosfera, geralmente no sentido contrario ao do movimento Velocidade relativa É a velocidade de um corpo em relação a um outro corpo Fluidos e Atmosfera 1- Fluido – todo corpo sem forma fixa Líquidos - água Gases - vapor d’água Subst. que escoa facilmente e muda a forma sob a ação de pequenas forças Propriedade do AR que afetam o voo (parâmetros) Pressão Densidade Temperatura Temperatura Medida através de termômetros Celsius Fahrenheit tc = tf -32 5 9 Tk = tc + 273 Densidade Massa por volume do gás Varia com a pressão e temp. Pressão estática Gás em repouso Devido as incessantes e continuas colisões das moléculas do gás contra as paredes do objeto LEI DOS GASES Comportamento os gases Maneira como se comportam na variação de: pressão, temperatura e densidade Aumento de pressão Temp. aumenta Densidade aumenta LEI DOS GASES Aumento da temperatura pressão 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% gás oxigênio 78% gás nitrogênio 1% outros gases Componentes estranhos poeira vapor d’agua poluentes diversas sementes Pressão atmosférica Pressão exercida pelo ar sobre todas as coisas dentro da atmosfera Teste do vácuo na latinha Variação dos parâmetros atmosféricos Pressão, densidade e temperatura Aumento da altitude Diminui pressão, densidade e temperatura Densidade do ar depende da umidade Maior umidade menor densidade do ar Vapor d’água mais leve que oxigênio e nitrogênio do ar ft Atmosfera padrão O desempenho do avião (velocidade máxima, sustentação, comprimento de pista para decolagem, etc) dependem dos parâmetros atmosférico do momento Variação de local para local – Atmosfera padrão (ISA) Padronização dos critérios de avaliação de desempenho doas aviões por diferentes fabricantes Atmosfera padrão (ISA) International Standard Atmosphere Organização da Aviação Civil Internacional (Montreal –Canadá) Pressão: 1013.25 hPa / 760 mm de mercúrio / 76 cm de Hg / 14, 69 PSI / 29,92 Pol Hg Densidade: 1,225 Kg/ m3 Temperatura: 15°C Gradiente térmico: - 2°C a cada 1000ft (pés) - 0,65°C a cada 100 m Altímetro Manômetro – mede pressão Calibrado para indicar a altitude correta na ISA Altitude pressão – altitude indicada pelo altímetro Altitude verdadeira – altitude real do avião Altitude densidade – altitude calculada por diferença de densidade Geometria do avião Nomenclatura Superfícies aerodinâmicas Não produzem resistência ao avanço, porem tbm não produzem nenhuma força útil ao voo. Carenagem da roda polaina Superfícies aerodinâmicas Não produzem resistência ao avanço, porem tbm não produzem nenhuma força útil ao voo Spinner Voa sem Aerofólios Produzem forças úteis ao voo (não voa sem) Hélice Asa Estabilizador Elementos matemáticos de uma asa Envergadura(b); Corda (c); Raiz da asa; Ponta da asa; Bordo de fuga; Bordo de ataque; Intradorso; extradorso Elementos matemáticos de uma asa Envergadura(b); Corda (c); Raiz da asa; Ponta da asa; Bordo de fuga; Bordo de ataque; Intradorso; extradorso Elementos matemáticos de uma asa Envergadura(b); Corda (c); Área da Asa letra S S = b.c PERFIL Formato em corte longitudinal do aerofólio Perfil simétrico: dividido por uma linha reta em duas partes iguais. Perfil Assimétrico: não é divide em duas partes iguais por um linha reta PERFIL Formato em corte longitudinal do aerofólio Perfil simétrico: dividido por uma linha reta em duas partes iguais. Perfil Assimétrico: não é divide em duas partes iguais por um linha reta Elementos de um perfil Bordo de ataque – extremidade dianteirado perfil; Bordo de fuga – extremidade traseira (final); Extradorso- superfície superior; Intradorso – superfície inferior; Corda – linha reta que liga bordo de fuga e ataque; Linha de curvatura média (ou linha média) – linha que equidista extra do intradorso Elementos de um perfil Bordo de ataque – extremidade dianteira do perfil; Bordo de fuga – extremidade traseira (final); Extradorso- superfície superior; Intradorso – superfície inferior; Corda – linha reta que liga bordo de fuga e ataque; Linha de curvatura média (ou linha média) – linha que equidista extra do intradorso No perfil assimétrico a linha média coincide com a corda. Ângulo de incidência Ângulo formado entre a corda e o eixo longitudinal* do avião *Eixo longitudinal é uma linha de referencia imaginaria do avião – voo horizontal Escoamento Movimento dos fluidos gasoso ou líquidos Laminar ou Lamelar Turbulento ou turbilhonado Tubo de escoamento Canalização por onde escoa o fluido Tubo real Tubo imaginário Equação da continuidade Lei do escoamento “Quanto mais estreito for o tubo de escoamento, maior será a velocidade do fluido, vise-versa”. Túnel aerodinâmico – equação da continuidade Teste de modelos de aviões – fase de projeto Pressão Dinâmica (q) •Pressão produzida pelo impacto do vento •Sem vento sem pressão dinâmica •Maior densidade maior q Velocímetro Manômetro que indica a velocidade do vento relativo (pressão dinâmica), porem o mostrador e modificado para velocidade e não pressão Entrada de pressão estática Entrada de pressão total (estática + dinâmica) Teorema de Bernoulli “Quanto maior a velocidade do escoamento, maior será a pressão dinâmica e menor a pressão estática”. Bernoulli Daniel 1700 - 1782, Tubo de Venturi Diminuição da pressão estática Sistema PITOT-ESTÁTICO Altímetro – pressão estática Velocímetro – pressão estática e pressão dinâmica Tubo de PITOT Tomada de pressão total Aviões de pequeno porte Tubo de pitot e tomada depressão estática incorporados em um único conjunto Forças Aerodinâmicas Forças que tornam possível o voo do avião lift (sustentação) thrust (propulsão) drag (arrasto weight (peso) Resultante aerodinâmica – Centro de pressão Fluxo Margem de orientação Margem de arrasto Centro de pressão Tubo de Venturi / Túnel Aerodinâmico (Bernoulli) Perfil assimétrico formando um pequeno ângulo (α) com a direção do vento relativo = Ângulo de Ataque = Resultante aerodinâmica Lembrar das ondas de pressão para aceleração do wash. Ângulo de ataque aumentado consideravelmente Resultante aerodinâmica maior Avanço do CP Entender porque profundor para cima avião para cima Profundor para baixo Avião para baixo Perfil Simétrico Aumento do αααα = resultante aerodinâmica maior e CP imóvel Mesmo de invertido? Decomposição da Resultante Aerodinâmica Sustentação (lift) e arrasto (drag) A sustentação nem sempre é vertical e o arrasto nem sempre paralelo Sustentação (L) / Ângulo de ataque (αααα) Difere também pelo tipo de perfil α positivo sustentação positiva Dirigida do intradorso para o extradorso Ângulo de ataque nulo / sustentação + ou - vento relativo sopra na mesma direção da corda Ângulo de ataque donde a sustentação é nula ≠ negativa ααααL0 αL0 = 0 simétrico αL0 = - assimétrico Ângulo de ataque menor que o ângulo de sustentação nula “puxa para baixo” Aumento do ângulo de ataque aumento da sustentação até um certo valor máximo = prestes a iniciar o turbilhonamento extradorso Ângulo critico Ângulo de estol Ângulo de sustentação máxima Ângulo de perda Aumento ângulo de ataque acima do ângulo critico turbilhonamento extradorso Diminuição da sustentação aumento do arrasto Coeficiente de sustentação número experimental: depende do ângulo de ataque e formado do aerofólio (espessura e curvatura) Dependência Proporcionalidade Coeficiente de sustentação Densidade do ar Área da Asa Velocidade Coeficiente de sustentação Densidade do ar Área da Asa Quadrado da Velocidade Arrasto Resistência ao avanço no deslocamento pelo ar Turbulência formada atrás dos objetos Superfície aerodinâmica = pequena resistência ao avanço, pois produz pequeno turbilhonamento Resistência ao avanço do aerofólio ou superf. aerodinâmica (arrasto) ↑↑↑↑ αααα ↑↑↑↑ D Arrasto induzido derramamento de ar Para diminuição do Arrasto parasita 1- Alongamento da Asa (Envergadura b. corda c) CMG = área envergadura 2- Dispositivos na asa que dificultam a formação do turbilhonamento ou vórtice induzido. Tiptanque Turbilhonamento ou arrasto induzido é maior nas baixas velocidades Maiores ângulos de ataque / TakeOff and Land Arrasto Parasita Arrasto de todas as partes que não produzem sustentação Fabricante do avião: área de placa plana equivalente perpendicular a direção do vento relativo Com o valor de aérea plana equivalente é possível calcular o arrasto parasita do avião Arrasto parasita é praticamente constante para pequenos αααα Partes que produzem sustentação Partes que não produzem sustentação Diferentes tipos de ângulos Ângulo de ataque – Corda Vento relativo Ângulo de incidência – Corda e eixo longitudinal Ângulo de atitude – eixo longitudinal e linha do horizonte Ângulo de incidência – Corda e eixo longitudinal Dispositivos hipersustentadores Muda a simetria da asa (assimétrica ou simétrica) • Coeficiente de sustentação Máximo = turbilhonamento no extradorso • Aumento do coeficiente de sustentação Flap / Flape (aba, lábio) Aumenta a curvatura ou arqueamento do perfil = aumento de coeficiente de sustentação; Flapes funcionam como freio aerodinâmico, pois aumentam o arrasto Fowler é o mais importante fenda simples Fowler flap A320 B737 - flap simples: CL aumenta - flap ventral: CL aumenta - flap tipo "fowler": CL aumenta e S aumenta (este é o tipo de flap mais eficiente) Slot (fenda ou rachadura fixa) � Também aumenta o ângulo de ataque critico do aerofólio; � Fenda que suaviza o escoamento no extradorso da asa, evitando o turbilhonamento. Deslocamento horizontal Slat (fenda ou rachadura movel) � Tipo especial de slot � Recolhido durante o voo normal pela ação do vento �Por ação de molas fica estendido Slots e slats tem a desvantagem em relação aos flaps de erguer demasiadamente o nariz do avião nas aproximações e decolagens = prejuízo da visibilidade Outra utilidade dos slots � Asa entre em estou iniciando pela ponta; � Perde de controle do aileron; � Torção na ponta da asa (reduz ângulo de incidência) ou; utilizar slots Grupos Moto Propulsores - GMP GMP – Conjunto dos componentes que fornecem tração necessária ao voo Turbojato Turbo-fan Queima todo o ar que entra GMP Turboélice Motor a pistão e hélice Definições de Potência – tração – dinamômetro Potência efetiva – potencia medida no eixo da hélice, Pot. Nominal – é a potencia efetiva máxima para qual o motor foi projetado (não varia valor); Pot. Útil – potencia de tração desenvolvida pela hélice sobre o avião (Pot. Disponível) Hélice pega a Pot. Efetiva e converte em Pot. de tração Mono e bimotores de pequeno porte são construídos acoplados a um GMP com motor a pistão e hélice de duas a várias pás. As hélices podem ser feitas de vários materiais: madeira = baixa potencia (Paulistinha) ligas de alumínio ou aço = aviões mais fortes e mais modernos Hélice aerofólio rotativo - Produz força útil ao voo (força de tração sobre o avião) Seção da pá cortada movimenta para baixo Passo de hélice Pás torcidas – deveria funcionar como um parafuso avançando uma determinada distancia a cadarotação completa. Passo teórico – ideal de deslocamento (avanço) •Entretanto o ar é um fluido – avanço real hélice passo efetivo •Distancia que a hélice deixou de percorrer = recuo Passo teórico – passo efetivo = recuo (Pt – Pe = Re) Qual o melhor ângulo de rotação? Depende da velocidade do avião e da rotação do motor. Como a hélice gira e ao mesmo tempo avança para frente, o vento relativo que incide sobre a pá é inclinado. Ângulo é determinado pelo fabricante Aumento da velocidade •Aumento do ângulo do vento relativo •Ideal que se aumente a torção das pás para que se mantenha o ângulo de ataque (força de tração igual) Não existe um passo ou torção da pá ideal para todas as fases do voo Hélice com pequena rotação – boa para decolagem e subidas; ruim para cruzeiro e alta velocidade Hélice muito torcida – ruim para decolagem e subidas; boa para cruzeiro e velocidades maiores POUCA TORÇÃO DA PÁ MUITA TORÇÃO DA PÁ Embandeirado Hélice de passo fixo Fabricada com uma determinado passo, o qual não pode ser Modificado; Bom funcionamento em uma determinada RPM (velocidade de voo para qual foi construída) Hélice de passo ajustável O passo pode ser modificado no solo (uso de ferramentas adequadas); A hélice só funcionara bem para a RPM e velocidade ajustada. Hélice de passo controlado (dentro da cabine) Passo pode ser modificado durante o voo; Funciona bem em qualquer fase do voo (RPM e Velocidade); Hélice de passo controlado (dentro da cabine) 1- Comando Manual (Manete geralmente Azul) Hélice de passo controlado (dentro da cabine) 2- Comando automático - Contrapesos e Governador – um atuando sobre o outro (King Air) Contrapeso – passo automaticamente ajusta por contrapesos (ação centrifuga); Governador – uso de sistema elétrico ou hidráulico. Hélice de passo controlado automaticamente são chamadas de hélice de RPM constante ou de velocidade constante Voo horizontal - velocidade constante Sustentação igual ao peso Tração da hélice igual ao arrasto Grande velocidade pequeno ângulo de ataque Para diminuir a velocidade mantendo o voo horizontal, é preciso aumentar o ângulo de ataque. Menor velocidade possível = ângulo de ataque crítico = velocidade de estol = coeficiente de sustentação máximo = avião na iminência de estol Ultrapassando o ângulo crítico, inicia-se o estol e a sustentação diminui rapidamente Assim é impossível manter o voo horizontal. Somente se a velocidade for aumenta consideravelmente. Pequenos aumentos de α alem do ângulo crítico exige muita potência α é muito importante para a manutenção do voo Não há indicação do ângulo de ataque Velocímetro indica este ângulo Voar em alta velocidade = aumentar potência Voar em baixa velocidade = diminuir potência Quebra da regra Voo horizontal Explicação simples: baixas velocidade requerem grandes ângulos de ataque Potência disponível – fazer leitura p 37 Superpondo as curvas de potência necessária com disponível Vlc. máximaVlc. Máximo alc Vlc. estol Vlc. Máxima autonomia Vlc. minima Arrasto em voo horizontal não varia com a altitude, apenas com a velocidade e αααα. Variações da velocidade em voo nivelado Depende de peso, altitude, área da asa entre outros... Regras do voo nivelado (horizontal) 1ª regra prática: usada para qualquer velocidade. – velocidade máxima Regras do voo nivelado (horizontal) 2ª regra prática: usada solucionar questões a respeito da potencia necessária ao voo horizontal. Regras do voo nivelado (horizontal) 3ª regra prática: usada somente para velocidade máxima Resumo das regras do voo nivelado (horizontal) UNIVERSIDADE CATÓLICA DE GOIÁS – UCG Aerodinâmica e Teoria de Voo Prof. Gustavo Montoro Voo Planado Ladeira 30°de declive Movimento: ação da gravidade Teorema de Pitágoras: O quadrado da hipotenusa é igual a soma dos quadrados dos catetos (ax e ay) Modo semelhante para o avião ao voar sem tração do motor Trajetória descendente – voo planado Avião é impulsionado por uma força de 500 Kgf Sustentação igual 866 Kgf (menor que o peso) Ângulo formado entre a trajetória de voo e a linha do horizonte = ângulo de planeio Este ângulo é tanto menor quanto maior o CL e menor o CD do avião. Velocidade de melhor planeio - Velocidade de menor ângulo de descida; - O avião planeia a maior distancia possível; - Coincide com a Velocidade de máximo alcance Aumento do ângulo de ataque no voo planado - Aumenta o tempo de planeio (velocidade de máxima autonomia) - Porém menor distancia percorrida; - Velocidade de menor razão de descida (mínimo de afundamento). Diminuição do ângulo de ataque para aumento da velocidade Velocidade final Velocidade máxima que o avião pode atingir num mergulho ou planeio vertical. Sustentação nula Trajetória vertical αL0 - ângulo de sustentação nula Velocidade aumenta ate se estabilizar com o D Peso = D Velocidade Final ≠ velocidade Limite Razão de descida Altura perdida por unidade de tempo Variômetro (climb): R/D medida em m/s ou ft/min Influência do Vento Vento de cauda (tail) aumenta a VS e a distância de planeio e ↓α. Vento de proa (head) é o oposto. VA, VI e R/D não se alteram, pois em relação ao ar o, o avião voa como se o vento não existisse Influência da Altitude •Grandes altitudes, ar rarefeito •Somente torna o planeio mais rápido aumentando assim a VA e R/D •Vi não é alterada •O piloto pode manter a mesma Vi estimando o mesmo alcance de planeio •Chega ao solo com maior velocidade
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