Explicações populares (e imperfeitas) sobre sustentação
Ao ler qualquer livro escolar sobre aerodinâmica, você encontrará inúmeros métodos matemáticos para calcular a sustentação. Infelizmente, nenhuma dessas explicações é particularmente satisfatória, a menos que você seja um gênio da matemática.Há muitas explicações simplificadas sobre a sustentação na Internet e em alguns livros didáticos. Duas das mais populares explicações atuais são a explicação do caminho mais longo (também conhecida por princípio de Bernoulli ou igual tempo de trânsito) e a explicação newtoniana(também conhecida por explicação de transferência de momento ou deflexão do ar). Embora muitas dessas explicações sejam fundamentalmente falhas, elas ainda podem contribuir para um entendimento intuitivo de como é criada a força de sustentação.
A explicação comum ou caminho mais longo
A explicação comum, ou do caminho mais longo, diz que a parte superior de uma asa é mais curva que a parte inferior. As partículas de ar que se aproximam do bordo de ataque da asa devem percorrer o caminho por cima ou por baixo da asa. Suponhamos que duas partículas próximas se separem no bordo de ataque e se reagrupem depois, no bordo de fuga da asa. Visto que as partículas que se deslocam na parte superior percorrem uma distância maior em igual tempo, elas devem se mover mais velozmente.
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O princípio (ou lei, ou teorema) de Bernoulli, um fundamento da dinâmica dos fluidos, define que, conforme aumenta a velocidade de fluxo do fluido, diminui sua pressão. A explicação do caminho mais longo (igual tempo de trânsito) deduz que esse ar que se desloca mais rápido desenvolve menor pressão na parte superior, ao passo que o ar com deslocamento mais lento mantém maior pressão na parte inferior da asa. Essa diferença de pressão basicamente "chupa" a asa para cima (ou empurra a asa para cima, dependendo do ponto de vista).
Por que isso não está inteiramente correto?
Existem várias falhas nessa teoria, embora seja ela uma explicação bastante comum, facilmente encontrada em livros didáticos e enciclopédias:
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A premissa de que duas partículas de ar, conforme descrito acima, se reagrupam no bordo de fuga da asa não tem fundamento. Na verdade, essas duas partículas não têm "conhecimento" uma da outra, e não existe um motivo lógico para que essas partículas se agrupem na parte posterior da asa, no mesmo momento.
- Para diversos tipos de asa, a parte superior é maior que a parte inferior. Todavia, muitas asas são simétricas (identicamente moldadas nas partes superior e inferior). Essa explicação também prevê que aviões não podem voar de cabeça para baixo, embora saibamos que muitas aeronaves têm essa capacidade.
Por que isso não está inteiramente errado?
A explicação do caminho mais longo está correta em mais de um aspecto. Primeiro, o ar na parte superior da asa se move mais rápido que o ar na parte inferior - na verdade, ele se move mais rápido do que a velocidade necessária para as partículas de ar da parte superior e inferior se reagruparem, como sugerem muitas pessoas. Segundo, a pressão geral na parte superior de uma asa produtora de sustentação é menor que a pressão na parte inferior da asa, e é essa diferença líqüida de pressão que cria a força de sustentação.
A explicação newtoniana
Isaac Newton declarou que, para cada ação, existe uma reação igual e oposta (Terceira Lei de Newton). Um bom exemplo está em dois patinadores em uma pista de gelo. Se um empurra o outro, ambos se movem - um pela força da ação e outro pela força da reação.
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No final do século 17, Isaac Newton formulou a teoria de que as moléculas de ar atuam como partículas individuais e o ar que atinge a superfície inferior de uma asa atua como chumbinho ricocheteando em uma placa metálica. Cada partícula individual ricocheteia na superfície inferior da asa e é desviada para baixo. Conforme atingem a parte inferior da asa, as partículas concedem parte de sua cinética à asa, gradualmente empurrando a asa para cima com cada impacto molecular.
Nota: Na verdade, as teorias de Newton sobre fluidos foram desenvolvidas para batalha naval, a fim de ajudar a reduzir a resistência que a água exercia nos navios - a meta era criar um barco mais rápido e não um avião melhor. Ainda assim, as teorias são aplicáveis, visto que água e ar são ambos fluidos.
Por que isso não está inteiramente correto?
A explicação de Newton oferece uma imagem um tanto intuitiva de como a asa desvia o fluxo de ar que passa por ela, com algumas exceções:
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A superfície de cima da asa é totalmente excluída do cenário. A superfície de cima de uma asa contribui substancialmente para afetar o fluxo do fluido. Quando apenas a superfície inferior da asa é considerada, os cálculos de sustentação resultantes são um tanto imprecisos.
- Quase cem anos depois da teoria de cascos de navio de Newton, um homem chamado Leonhard Euler notou que o fluido que se move em direção a um objeto desvia antes mesmo de atingir a superfície, sem chance de ricochetear na superfície. Parecia que o ar não se comportava da mesma forma que os chumbinhos. Em vez disso, as moléculas interagem e se influenciam, de forma que é difícil prever usando métodos simplificados. Essa influência vai além do ar em volta da asa.
Por que isso não está inteiramente errado?
Embora uma pura explicação newtoniana não produza estimativas precisas de valores de sustentação em condições de vôo (por exemplo, o vôo de um jato de passageiros), ela prevê muito bem a sustentação de certos regimes de vôo. Para condições de vôo hipersônico (velocidades que excedem em cinco vezes a velocidade do som), a teoria de Newton prova ser verdadeira. Em altas velocidades e densidades muito baixas de ar, as moléculas de ar se comportam como os chumbinhos exemplificados por Newton. O ônibus espacial opera sob essas condições durante sua fase de reentrada.
Diferentemente do conceito de igual tempo de trânsito, o princípio de Newton diz que o ar é desviado para baixo enquanto percorre a asa. Embora não se deva ao contato das moléculas contra a superfície inferior da asa, o ar é certamente desviado para baixo, resultando em um fenômeno denominado downwash (veja NASA: Glenn Research Center - em inglês - para mais sobre downwash)
