Matemática UNIVERSIDADE CATÓLICA CATÓLICA DE GOIÁS – UCG
PRODUTO – 2.4 = 8 QUOCIENTE ou RAZÃO – 18/2 = 9 QUADRADO – 72 = 49 CUBO – 43 = 64 RAIZ QUADRAD QUADRADA A – 81 = 9
Aerodinâmica e Teoria de Voo DIRETAMENTE PROPORCIONAL – distância e tempo Prof. Gustavo Montoro
Capítu Cap ítulo lo 2 - Fís Física ica (base da teoria de voo)
INVERSAMENTE PROPORCIONAL – combustível e tempo
V = d/t
Velocidade (grandeza) V = ∆s/ ∆t •Km/h (quilômetros por hora) (escala) Vi = ds/dt •Mph (milhas terrestre por hora) 1,609 km/h •kt (knot (knot ou nó nó ou milha milha náutic náuticaa por por hora) hora) 1,852 km/h
Quanto maior for a massa de um corpo maior
Massa (grandeza) •Quantidade de matéria contida em um corpo;
será sua inércia inércia (velocidade (velocidade alterada). alterada).
•Invariável Kg – quilog quilogram ramaa (escal (escala) a)
A massa de um corpo é a medida da inércia deste corpo.
Lb – libra libra (0,45 (0,4536 36 Kg) Kg) (esca (escala) la)
Força (grandeza)
1 Kgf é a força com que a Terra
Produz ou modifica o movimento de um corpo;
atrai o quilograma padrão ao núcleo
Para mudar a direção e preciso o uso da força (quebra na inércia) Dinamômetro = aparelho que mede a força
Escalas •Kgf – quilograma-força
1 Kgf = 9,8N (SI)
•Lbf •L bf – lilibr braa-fo forç rçaa
F = m.a m.a (2ª (2ª lei de Newto ewton) n) - - - - m = F/a
Peso
Trabalho
•Junção da massa com a gravidade
Força pelo deslocamento W = F.d
P = m.g (g = 9,8m/s2)
No SI SI ------- N.M = J
•Variável; •Gravidade maior nos pólos do que no equador, assim o seu peso e maior nos pólos.
Potência (P) – (P) – trabalho trabalho (W) produzido produzido por unidade unidade de tempo
Potência (P) – (P) – trabalho trabalho (W) produzido produzido por unidade unidade de tempo
P = Força . Velocidade / P = W/t
P = Força . Velocidade / P = W/t
Potencia Geralmente medida em HP (Horse (Horse Power) Power)
Potencia Geralmente medida em HP (Horse (Horse Power) Power)
1HP = 1 cavalo robusto puxando com a força de 76 Kgf, à um velocida velocidade de de de 1m/s
variação da velocidade velocidade por unidade de tempo tempo Aceleração (a) - variação de um corpo. a = Força / massa a > 0 – movim movimento ento acelerad aceleradoo a < 0 –movimento retardado
tendência natural natural dos corpos permanecer permanecerem em em Inércia – tendência Inércia – repouso ou em movimento retilíneo uniforme. 1ª Lei de de Newton: Newton: Na ausência de forças resultantes, um corpo em repouso repouso continua continua em repouso. repouso. Já um corpo em movimento continua em movimento em linha reta e com velocidade constante.
a = velocidade(m/s) / tempo(s)
Densidade – massa por unidade Densidade – unidade de volume. volume. D = m/V
Movimento ou torque Tudo aquilo que pode causar rotação
EX: Densidade Densidade da Gasolina Gasolina é 0,72 Kg/litro Kg/litro para cada cada litro a massa é de 0,72 Kg
M = F.d
Ação e Reação
Pressão
3ª Lei Lei de Newt Newton on - para para toda toda ação ação haver haveráá uma reaç reação ão de igua iguall intensidade,porém em sentido contrário.
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
Vetor Toda grandeza matemática que possui
Tudo aquilo que pode realizar trabalho (SI = J)
intensidade, direção e sentido;
1- Energia Cinética: Cinética: energia contida nos corpos em movimento; 2- Energia Potencial gravitacional: gravitacional: energia acumulada em um corpo, disponível para ser utilizada. Geralmente contida em corpos colocados em locais elevados. 3- Energia de Pressão: Pressão: energia acumulada nos fluidos sob pressão
Certas grandezas não podem ser representadas por vetores. Temperatura por exemplo
Vetor
Vetor
Composição de vetores – é um método para determinar a resultante de vários vetores
Decomposição de vetores – é um método para determinar as componentes de um vetor
Teorema de Pitágoras:O quadrado da hipotenusa é igual a soma dos quadrados dos catetos (ax e ay)
Vento relativo
Vento relativo
Vento aparente que sopra sobre um corpo em movimento na atmosfera, geralmente no sentido contrario ao do movimento
Vento aparente que sopra sobre um corpo em movimento na atmosfera, geralmente no sentido contrario ao do movimento
Vento relativo
Velocidade relativa
Vento aparente que sopra sobre um corpo em movimento na atmosfera, geralmente no sentido contrario ao do movimento
É a velocidade de um corpo em relação a um outro corpo
Fluidos e Atmosfera
Temperatura Medida através de termômetros
1- Fluido – todo corpo sem forma fixa Líquidos - água Gases - vapor d’água
Celsius Fahrenheit
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
tc = tf -32 5
9
Tk = tc + 273
Densidade Massa por volume do gás Varia com a pressão e temp.
Pressão estática
LEI DOS GASES
Gás em repouso
Comportamento os gases Maneira como se comportam na variação de: pressão, temperatura e densidade
Temp. aumenta Densidade aumenta
Aumento de pressão
Devido as incessantes e continuas colisões das
LEI DOS GASES Aumento da temperatura pressão aumenta Densidade diminui
P = d. t
Atmosfera Cama de ar que circunda a terra; Mistura de gases 21% gás oxigênio 78% gás nitrogênio 1% outros gases
Temperatura calculada em Kelvin tk = tc + 273
Componentes estranhos poeira vapor d’agua poluentes diversas
Pressão atmosférica
Variação dos parâmetros atmosféricos Pressão, densidade e temperatura
Pressão exercida pelo ar sobre todas as coisas dentro
Aumento da altitude
da atmosfera
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
Teste do vácuo na latinha
ft
Atmosfera padrão
Atmosfera padrão (ISA) International Standard Atmosphere
O desempenho do avião (velocidade máxima, sustentação, comprimento de pista para decolagem, etc) dependem dos parâmetros atmosférico do momento
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
Variação de local para local – Atmosfera padrão (ISA) Padronização dos critérios de avaliação de desempenho doas aviões por diferentes fabricantes
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
Aerofólios
Não produzem resistência ao avanço, porem tbm não produzem nenhuma força útil ao voo
Produzem forças úteis ao voo (não voa sem) Hélice
Spinner
Asa
Estabilizador Voa sem
Elementos matemáticos de uma asa
Elementos matemáticos de uma asa
Envergadura(b);
Envergadura(b);
Corda (c);
Corda (c);
Raiz da asa;
Raiz da asa;
Ponta da asa;
Ponta da asa;
Bordo de fuga;
Bordo de fuga;
Bordo de ataque;
Bordo de ataque;
Intradorso;
Intradorso;
extradorso
extradorso
Elementos matemáticos de uma asa Envergadura(b);
PERFIL Formato em corte longitudinal do aerofólio
Corda (c); Perfil simétrico: dividido por uma linha reta em duas partes iguais.
Área da Asa letra S S = b.c
Perfil Assimétrico: não é divide em duas partes iguais por um linha reta
PERFIL
Elementos de um perfil
Formato em corte longitudinal do aerofólio Perfil simétrico: dividido por uma linha reta em duas partes iguais. 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; Perfil Assimétrico: não é divide em duas partes iguais por um linha reta
Linha de curvatura média (ou linha média) – linha que equidista extra do intradorso
Elementos de um perfil
Ângulo de incidência Ângulo formado entre a corda e o eixo longitudinal* do avião
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.
*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
Túnel aerodinâmico – equação da continuidade Teste de modelos de aviões – fase de projeto
“Quanto mais estreito for o tubo de escoamento, maior será a velocidade do fluido, vise-versa”.
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
Sistema PITOT-ESTÁTICO Altímetro – pressão estática Velocímetro – pressão estática e pressão dinâmica
Diminuição da pressão estática
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.
Entender porque profundor para cima avião para cima Profundor para baixo Avião para baixo
Ângulo de ataque aumentado consideravelmente
Resultante aerodinâmica maior Avanço do CP
Perfil Simétrico
Aumento do α = resultante aerodinâmica maior e CP imóvel
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 (α) Difere também pelo tipo de perfil
α positivo sustentação positiva
Dirigida do intradorso para o extradorso
Ângulo de ataque donde a sustentação é nula ≠ negativa
αL0
αL0 = 0 simétrico αL0 = -
assimétrico
Ângulo de ataque nulo / sustentação + ou vento relativo sopra na mesma direção da corda
Ângulo de ataque menor que o ângulo de sustentação nula “puxa para baixo”
Aumento do ângulo de ataque aumento da sustentação
Aumento ângulo de ataque acima do ângulo critico
até um certo valor máximo = prestes a iniciar o turbilhonamento extradorso
turbilhonamento extradorso
Ângulo critico Ângulo de estol Ângulo de sustentação máxima Ângulo de perda
Diminuição da sustentação aumento do arrasto
Coeficiente de sustentação número experimental: depende do ângulo de ataque e formado do aerofólio (espessura e curvatura)
Arrasto Resistência ao avanço no deslocamento pelo ar Turbulência formada atrás dos objetos
Dependência
Proporcionalidade
Coeficiente de sustentação
Coeficiente de sustentação
Densidade do ar
Densidade do ar
Área da Asa
Área da Asa
Velocidade
Quadrado da Velocidade
Superfície aerodinâmica = pequena resistência ao avanço, pois produz pequeno turbilhonamento
Resistência ao avanço do aerofólio ou superf. aerodinâmica (arrasto) ↑α ↑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.
Turbilhonamento ou arrasto induzido é maior nas baixas velocidades Maiores ângulos de ataque / TakeOff and Land
Tiptanque
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 α 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 atit
Ângulo de incidência – Corda e eixo longitudinal
Dispositivos hipersustentadores
Flap / Flape (aba, lábio)
Muda a simetria da asa (assimétrica ou simétrica)
Aumenta a curvatura ou arqueamento do perfil = aumento de coeficiente de sustentação;
• Coeficiente de sustentação Máximo = turbilhonamento no extradorso • Aumento do coeficiente de sustentação
Flapes funcionam como freio aerodinâmico, pois aumentam o arrasto Fowler é o mais importante
simples
Fowler flap A320 B737
fenda
Slot (fenda ou rachadura fixa)
- flap simples: CL aumenta - flap ventral: CL aumenta
Também aumenta o ângulo de ataque critico do aerofólio;
Fenda que suaviza o escoamento no extradorso da asa, evitando o turbilhonamento.
- flap tipo "fowler": CL aumenta e S aumenta (este é o tipo de flap mais eficiente)
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
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
Slots e slats tem a desvantagem em relação aos flaps de erguer demasiadamente o nariz do avião nas aproximações e decolagens = prejuízo da visibilidade
Grupos Moto Propulsores - GMP
GMP – Conjunto dos componentes que fornecem tração necessária ao voo Turbojato
GMP Turboélice
Queima todo o ar que entra
Motor a pistão e hélice Turbo-fan
Definições de Potência – tração – dinamômetro Potência efetiva – potencia medida no eixo da hélice,
Mono e bimotores de pequeno porte são construídos acoplados a um GMP com motor a pistão e hélice de duas a várias pás.
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
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
Passo teórico – ideal de deslocamento (avanço)
Pás torcidas – deveria funcionar como um parafuso avançando uma determinada distancia a cada rotação completa.
•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.
Aumento da velocidade
Não existe um passo ou torção da pá ideal para todas as fases do voo
•Aumento do ângulo do vento relativo
Hélice com pequena rotação – boa para decolagem e subidas; ruim para cruzeiro e alta velocidade
•Ideal que se aumente a torção das pás para que se mantenha o ângulo de ataque (força de tração igual)
Hélice muito torcida – ruim para decolagem e subidas; boa para cruzeiro e velocidades maiores
Hélice de passo fixo Fabricada com uma determinado passo, o qual não pode ser Modificado; Bom funcionamento em uma POUCA TORÇÃO DA PÁ
MUITA TORÇÃO DA PÁ Embandeirado
determinada RPM (velocidade de voo para qual foi construída)
Hélice de passo ajustável O passo pode ser modificado no solo (uso de ferramentas adequadas);
Hélice de passo controlado (dentro da cabine) Passo pode ser modificado durante o voo; Funciona bem em qualquer fase do voo (RPM e Velocidade);
A hélice só funcionara bem para a RPM e velocidade ajustada.
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
Para diminuir a velocidade mantendo o voo horizontal, é preciso aumentar o ângulo de ataque.
Grande velocidade pequeno 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
Voar em alta velocidade = aumentar potência Voar em baixa velocidade = diminuir potência Quebra da regra
Velocímetro indica este ângulo
Voo horizontal
Potência disponível – fazer leitura p 37
Explicação simples: baixas velocidade requerem grandes ângulos de ataque
Superpondo as curvas de potência necessária com disponível
Vlc.
Vlc. Máximo alc
Vlc. máxima
minima Vlc. estol
Vlc. Máxima autonomia
Arrasto em voo horizontal não varia com a altitude, apenas com a velocidade e α.
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) 3ª regra prática: usada somente para velocidade máxima
Regras do voo nivelado (horizontal) 2ª regra prática: usada solucionar questões a respeito da potencia necessária ao voo horizontal.
Resumo das regras do voo nivelado (horizontal)
Voo Planado UNIVERSIDADE CATÓLICA DE GOIÁS – UCG
Ladeira 30°de declive Movimento: ação da gravidade
Aerodinâmica e Teoria de Voo Teorema de Pitágoras: O quadrado da hipotenusa é igual a soma dos quadrados dos catetos (ax e ay) Prof. Gustavo Montoro
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
Velocidade de melhor planeio - Velocidade de menor ângulo de descida; - O avião planeia a maior distancia possível; - Coincide com a Velocidade de máximo alcance
Este ângulo é tanto menor quanto maior o CL e menor o CD do avião.
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.
Influência da Altitude •Grandes altitudes, ar rarefeito
Vento de proa (head) é o oposto. •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 VA, VI e R/D não se alteram, pois em relação ao ar o, o avião voa como se o vento não existisse
mesmo alcance de planeio •Chega ao solo com maior velocidade
