77. Sonhos no ar

  Uma das grandes conquistas da Humanidade é o voo. De acordo com a IATA (International Air Transport Association), todos os dias cerca de 700 mil pessoas estão a bordo de um avião, em cerca de 100 mil voos comerciais. A página PlaceCrushInfo, que regista os acidentes de aviação no mundo, regista que houve 8 acidentes de avião no Mundo inteiro em 2016, com 503 mortes num total de 891 pessoas (56%) envolvidas no acidente nesse ano. Compara-se com o número fornecido pela WHO (Organização Mundial da Saúde) de cerca de 1 milhão e 200 mil pessoas que morrem em acidentes de carro no mundo inteiro todos os anos. Os países com maior número de mortes por acidente de carro são: 1. China (cerca de 300 mil); 2. Índia (cerca de 210 mil); 3. Brasil (cerca  de 50 mil). Portugal fica-se pela 107.ª Posição (cerca de 700).                       As razões pelas quais algo, que pesa toneladas, pode erguer-se no ar e voar são geralmente desconhecidas. Nas poucas situações em que uma explicação para o voo dos aviões é dada, geralmente envolve algo como o «facto» de o ar, devido à forma da asa, circular mais rapidamente por cima da asa do que por baixo. Então, pelo Princípio de Bernoulli, a pressão do ar por cima da asa é inferior à pressão do ar por baixo da asa. Dessa forma, a diferença de pressão levaria a que o ar procurasse subir para compensar a diferença de pressão, «levantando» o avião.

   Mas esta explicação é incorreta para explicar o voo. Basta pensar que, se a questão fosse a velocidade no ar no topo da asa ser maior devido à sua forma, seria impossível os aviões voarem de cabeça para baixo. É possível verificar (ao vivo ou em filmes) que os aviões podem voar invertidos (os militares em especial). Com a asa invertida, a pressão seria maior por baixo do avião e este cairia. O facto de um avião poder voar, não tem a ver com «pressões de ar diferentes».

   É o Efeito de Coandă (pelo qual um fluido em movimento sobre uma superfície convexa tende a circular «agarrado» à superfície) e as três Leis do movimento de Newton são suficientes para explicar o voo dos aviões (Leis do Movimento de Newton – Lei 1: Todo corpo continua em seu estado de repouso ou de movimento uniforme em linha reta, a menos que seja forçado a mudar aquele estado por forças aplicadas sobre ele; Lei 2: A mudança de movimento é proporcional à força motora imprimida, e é produzida na direção de linha reta na qual aquela força é aplicada; Lei 3: A toda ação há sempre uma reação oposta e de igual intensidade e com sentidos opostos). A descrição matemática é indispensável para a construção exata de aviões, mas a descrição com princípios físicos faz entender corretamente os princípios envolvidos e explica, entre outros fenómenos, o voo invertido.

  O Efeito de Coandă foi descoberto pelo inventor romeno Henri Coandă, durante experiências com o seu avião Coandă-1910, que exibiu na II.ª Exposição Aeronáutica em Paris, em Outubro de 1910. Este avião (com um envergadura de asas de 10,3 metros e comprimento de 12,5 metros) foi o primeiro avião a jato alguma vez construído. Em Dezembro de 1910, enquanto Coandă experimentava o seu avião, observou que os gases em combustão (que saíam dos reactores laterais do avião) circulavam junto e ao longo da fuselagem do avião, em vez de saírem em linha reta. Devido à proximidade dos gases, o avião pegou voo e explodiu. Ele e outros cientistas passaram anos a investigar este fenómeno, que recebeu o nome de Princípio de Coandă ou Efeito de Coandă. Para se verificar este princípio, basta abrir uma torneira e deixar a água correr. Se se aproximar a parte de baixo de uma colher (superfície convexa) do fluxo de água a trajetória da água vai encurvar-se e fluir com a curvatura da colher.

            3.ª Lei de Newton

   A Primeira Lei de Newton afirma que um corpo permanece em repouso ou em movimento retilíneo uniforme (velocidade constante ao longo de uma linha reta) excepto de for sujeito a uma força externa. Quando o avião está em movimento, o ar (que está parado) é sujeito a uma força (a passagem das asas do avião). Pela Terceira Lei de Newton (para qualquer ação há uma reacção com a mesma intensidade e sentido oposta) o ar exercerá sobre a asa uma força com a mesma intensidade que a força que a asa exerce sobre o ar com sentido contrário. É esta reação que faz levantar as asas (e todo o avião com elas). É por um efeito de reação que os navios flutuam na água (o Princípio da Impulsão), como descrito por Arquimedes e de que se falou no artigo Arquimedes: Coroa de Vitrúvio. Pelo movimento do asa, o ar é levantado à sua frente e desce após a sua passagem. A Segunda Lei de Newton (A intensidade de uma força é igual ao produto da sua massa pela sua aceleração) é aplicada a esta situação resultando em que a força de ascenção de uma asa é igual ao produto da massa de ar deslocada pela velocidade vertical que esse ar ganha na sua passagem. É isto que levanta um avião. A passagem das asas transfere parte do seu momento (velocidade × massa) para o ar, que é desviado para uma trajectória vertical.

   A quantidade de ar que um avião desloca da horizontal para a vertical depende da asas que possui e da sua massa. Por exemplo, um Cesna 172 pesa perto de 1 tonelada. Se viajar a uma velocidade de 200 Km/h, a velocidade vertical do ar que desloca é sensivelmente 18 Km/h. Pela Segunda Lei do Newton, e pressupondo um valor médio de 9 Km/h, a quantidade de ar deslocada na vertical é de 5 toneladas por segundo. Ou seja, um Cesna desloca cinco vezes o seu peso em ar por segundo. É isto que produz a ascensão do avião. Na imagem, vê-se o ar desviado pelo Efeito Coandă a rasgar as nuvens. Calcule-se a quantidade de ar deslocada por um Boing 777 (250 toneladas) ou o novo Airbus A380 (550 toneladas)…

   A razão pela qual o ar é desviado da horizontal para a vertical prende-se com o Princípio de Coandă. É por isso que a tradicional imagem, que ilustra muitas «explicações» da razão pela qual os aviões voam está incorrecta: o ar, ao ser deslocado pela asa, é forçado por esse princípio a seguir os contornos da asa. Dessa forma é desviado para baixo (não prossegue na horizontal). Dessa forma, não há a diferença de pressão provocada pelo Princípio de Bernoulli (o Princípio é válido,não se aplica nesta situação) que leva à ascenção das asas. O que levanta o avião é a massa de ar desviada para a vertical pelo contorno das asas graças ao Princípio de Coandă.

    A explicação completa é um pouco mais complexa (envolvendo ângulos de inclinação do avião, potência a que se desloca, pressão atmosférica,…) mas a razão pela qual os aviões voam envolve as 3 Leis de Newton e do Princípio de Coandă. Algumas das consequências físicas destes 4 princípios físicos operando sobre um avião e que levam à sua ascensão são:
~ A quantidade de ar deslocada pela asa é proporcional à velocidade do avião e à pressão atmosférica;
~ A velocidade vertical do ar deslocado é proporcional à velocidade do avião e ao ângulo de deslocamento do avião;
~ A ascensão é proporcional à quantidade de ar deslocada vezes a velocidade vertical do ar deslocado;
~ A potência necessária para a ascenção é proporcional à ascenção vezes a velocidade vertical do ar deslocado.

   Esta é a Perspectiva Física que explica o voo dos aviões. Nada de diferenças de pressão ou mãos invisíveis a segurar o avião. Apenas as 3 Leis do Movimento de Newton e o Princípio de Coandă.

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