Porque voa? Principio de Coanda + 3 leis de Newton!

Este bélissimo texto foi retirado de um Blog Português que trata dos mais diferentes assuntos. Leitura inteligente amigos, vale a pena! Cognosco


Volatu somnium

Poucas são as pessoas que, até hoje, não tenham voado alguma vez ou pensado em fazê-lo.
É uma das grandes conquistas da Humanidade.E, no entanto, muitas são as pessoas que receiam voar. Quando o têm de fazer passam mal, sentem um pânico contínuo durante o voo e qualquer ligeiro estremecimento é causa de preocupação.

É um medo geralmente ligado ao desconhecimento de como pode algo, que pesa toneladas, erguer-se no ar. As pessoas são mais leves e não conseguem levantar voo...E as coisas que voam e que fazem parte da experiência diária das pessoas (os pássaros e os morcegos) nem meia centena de quilos pesam...(Os gigantes pterodátilos nunca fizeram parte da experiência diária de qualquer ser humano, como visto em Cave sauvrie)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. Pelo Princípio de Bernoulli então a pressão do ar por cima da asa é inferior à pressão do ar por baixo da asa. Dessa forma a diferença de pressão leva a que o ar procure subir para compensar a diferença de pressão, «levantando» o avião.Mas esta explicação é incorrecta 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...Na verdade, o facto de um avião puder voar, não tem a ver com «pressões de ar diferentes». O Efeito de Coanda (pelo qual um fluido em movimento sobre uma superfície convexa tende a circular «agarrado» à superfície) e as três Leis do movimento de Newton (de que se falou em Conor explicare gravitatem) são suficientes para explicarem o voo dos aviões. A descrição matemática é indispensável para a construção exacta de aviões, mas a descrição com princípios físicos faz entender correctamente os princípios envolvidos e explica, entre outros fenómenos, o voo invertido.O Efeito de Coanda foi descoberto pelo inventor Romeno Henri Coanda durante experiência com o seu avião Coanda-1910, que exibiu na IIª 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 jacto alguma vez construido. Em Dezembro de 1910, enquanto Coanda 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 sairem em linha recta. 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 Coanda ou Efeito de Coanda.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 (sem lhe tocar), o fluxo próximo da colher vai encurvar-se e fluir com a curvatura da colher. ~ Então como se aplicam as Leis de Movimento de Newton e o Princípio de Coanda para explicar porque sobe um avião?A Primeira Lei de Newton afirma que um corpo permanece em repouso ou em movimento rectilíneo uniforme (velocidade constante ao longo de uma linha recta) 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 acção há uma reacção com a mesma intensidade e direcção 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 reacção que faz levantar as asas (e todo o avião com elas). É por um efeito de reacção que os navios flutuam na água...

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 acelaração) 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 vezes 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. Imagine-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 Coanda. 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 horziontal...)Dessa forma, não há é a diferença de pressão provocada pelo Princípio de Bernoulli (o Princípio é válido, só 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 Coanda.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 Coanda.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 valocidade 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 Coanda.

Texto bem interessante. Parabéns Rodrigo. Show

O texto é realmente muito interessante, mas existem algumas dúvidas que nos podemos colocar depois de o ler. É verdade que o fenómeno de deflexão do ar é bastante importante mas não é ele o único responsável pela sustentação. Senão vejamos o seguinte exemplo:

Dois aviões com a mesma velocidade e forma inferior da asa semelhante deslocam-se no ar. Consideremos contudo que a parte superior das asas é bastante diferente. Seria então de pensar que os dois fossem deflectir o ar nas mesmas condições, mas tal não acontece como bem sabemos! Os spoilers dos aviões modernos são o exemplo perfeito que não é só a deflexão do ar que importa. Dois aviões iguais voam de modo bem diferente com os spoilers activos ou desactivados. No entanto os spoilers só alteram a parte superior da asa (a parte inferior continua igual e portanto nas mesma condições de deflexão).

Assim esta teoria 100% newtoniana não é completamente fiável (os valores de sustentação obtidos experimentalmente são muito diferentes do que aqueles calculados com base na densidade e número de moléculas de um determinado gás). Esta é conhecida como a "Skipping Stone" Theory e a suas falhas podem ser vistas no simulador da NASA em http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/wrong2.html:http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/wrong2.html

Na realidade usando as ideias de Newton e Bernoulli é possível chegar a uma explicação correcta da sustentação! Isso pode ser visto neste site sendo necessário recorrer a um processo matemático mais complexo (integração): http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/bernnew.html

O que faz voar os aviões e todos os aparelhos é o fenómeno de adesão dos fluídos que cria a força do ar em movimento. Geram-se forças de atracção entre o fluído e a asa com perfil alar (descobertas pelo físico holandes Van der Waals). Como o fluído percorre toda a curvatura da asa, ganha uma aceleração radial. A essa aceleração está associada uma força centrípeta do perfil alar no fluido que tem como reacção uma "força centrífuga" do fluído na asa e que cria então a sustentação para equilibrar a força centrípeta (acção-reacção de Newton)!

Daí que seja incorrecto considerar que Bernoulli está 100% errado pois também existem diferenças de pressão que são responsáveis pela sustentação (mais uma vez isso pode ser visto no site que indiquei com o simulador da NASA). A pressão desempenha um papel importante na sustentação e utilizando as Equações de Euler é possível relacionar a pressão e densidade de um fluído em movimento).

Creio que o principal problema do Princípio de Bernoulli aplicado aos aviões é o facto de parte da teoria traduzirem aquilo que se passa nas asas de um avião (a diferença de pressões provoca a sustentação), mas certos pressupostos estão errados e portanto os valores experimentais não são concordantes com os teóricos (como por exemplo que duas moléculas de ar que passem pela parte superior e inferior chegam sempre à mesma região do espaço, o que não é bem verdade XD).

Portanto não são só as 3 Leis de Newton e o Efeito de Coanda que explicam o voo dos aviões

Peço desculpa se cometi algum erro científico na minha tentativa de explicação mas ainda estou no primeiro ano de aeroespacial e não tive nenhuma cadeira específica.

Espero ter ajudado alguma coisa. Sigam os links que explicam certamente tudo de forma mais clara.

Mais um link de um forúm muito interessante: http://algol.fis.uc.pt/quark/viewtopic.php?f=7&t=1395