Como funciona um avião

Um avião é uma aeronave mais pesada que o ar provida de asas fixas (partes da asa são móveis) e que alça vôo por meio do empuxo, ou seja, empurrada pelo ar.

O empuxo é uma força vertical e para cima exercida por um fluido (gás ou líquido) sobre um objeto qualquer nele mergulhado. Se você quiser rever os conceitos da hidrostática, incluindo o Teorema do Empuxo de Arquimedes, clique aqui para acessar nosso conteúdo multimídia.

Mas o empuxo do ar em repouso não é capaz de elevar nenhum objeto que seja mais denso do que ele, razão pela qual nós não flutuamos por aí. Assim, para voar, o avião deve obter um empuxo “extra” e, por isso, precisa das asas e de velocidade.

As asas de um avião têm um perfil que faz com que o ar, ao passar na parte de cima delas, faça-o mais rápido do que na parte de baixo. E diz uma conhecida lei da Mecânica dos Fluidos que, em uma região na qual a velocidade de escoamento de um fluido é maior do que em outra parte, a pressão é menor. Portanto, a pressão na parte superior da asa é menor que em sua parte inferior.

A asa do avião vista de lado tem esse perfil.

Lembre-se de que pressão é a razão entre uma força e a área de aplicação. Assim, existindo uma pressão maior na parte de baixo da asa, haverá ali uma força vertical para cima, maior do que a força vertical para baixo. Essa resultante para cima é o empuxo “extra” de que o avião necessita.

Uma forma relativamente simples de perceber que a pressão diminui com a velocidade é o seguinte esquema experimental:

Trata-se de um tubo em que o diâmetro sofre um “enforcamento” em certo trecho e retorna à forma original em seguida, como mostra a figura.

Em cada trecho, há um tubo vertical aberto. Pelo tubo, faz-se passar água (ou outro líquido). Nota-se que, no trecho estreito, a água escoa com uma velocidade maior. Isso decorre do fato de que a mesma quantidade de água que chega ao trecho deve sair dele no mesmo tempo e, como o volume é menor, isso só será possível se a velocidade for maior. Os tubos verticais colocados sobre cada trecho fazem o papel de manômetros, medindo a pressão. A água entra pelos tubos e atinge certa altura. E, quanto maior é essa altura, maior é a pressão. Verifica-se, ao realizar a experiência, que o tubo do meio apresenta a menor altura.

Líquido em repouso	Líquido em movimento

O experimento descrito é chamado de tubo de Venturi, pois foi idealizado por Giovanni Battista Venturi (1746-1822), um físico italiano contemporâneo de Daniel Bernoulli, que foi o primeiro cientista a interpretar a pressão de um gás com base na teoria cinética: “A pressão tem sua causa nos movimentos frenéticos das moléculas que formam um gás (ou qualquer fluido)”. O experimento do tubo de Venturi é uma demonstração do princípio de Bernoulli.

Uma aplicação do princípio de Bernoulli que não tem nenhuma relação com a aviação e é bastante comum é o vaporizador.

O vaporizador, bem como o spray, funciona assim: um jato de ar é “soprado” na extremidade aberta de um tubo mergulhado em líquido. Então, a pressão nesse ponto diminui, e a diferença de pressão no outro extremo (ar dentro do tubo) empurra o líquido para cima. Ao chegar no topo, a superfície líquida é convertida em gotículas, que se espalham com o jato de ar.

No caso do perfil da asa do avião, o ar que passa pelo lado de cima dela percorre uma distância maior do que o ar que passa por baixo, mas o tempo é o mesmo, resultando em uma velocidade maior em cima, o que, de acordo com o princípio de Bernoulli, implica uma pressão menor. Assim, surge uma força resultante vertical para cima — o empuxo.

Mas esse movimento do ar pela asa só pode existir porque o avião se move rapidamente, e o responsável por ele são os motores. O avião pode usar hélices ou turbinas. E aqui entra em ação a Terceira Lei de Newton: as hélices ou as turbinas empurram o ar para trás, o ar reage e empurra a aeronave para frente. E vale ainda nesse caso o princípio da conservação do momento linear.

O avião então se mantém no ar sob a ação de quatro forças: a força de tração proporcionada pelas hélices ou turbinas, a força de resistência do ar, que age sempre no sentido oposto ao movimento, a força peso e a força de empuxo. Na situação de equilíbrio, a força de resistência do ar é igual, em módulo, à força de tração, e o avião se mantém em velocidade constante — e, ainda, o empuxo é igual à força peso, e o avião não sobe nem desce, mantendo-se em uma altura estável. O piloto pode controlar a velocidade do aparelho e o empuxo (por meio de controles nas asas) e, assim, subir ou descer, aumentar ou diminuir a velocidade, além, é claro, de fazer curvas.

O avião é o mais rápido meio de transporte, tanto civil como militar. Os mais velozes jatos militares supersônicos atingem velocidades várias vezes maiores que a velocidade do som. Já aviões a jato comerciais podem atingir 875 km/h. E até mesmo aviões pequenos, como os monomotores, podem voar a 175 km/h.

Controle do avião

Para um avião elevar-se no ar, ele deve erguer seu próprio peso, incluindo o combustível e o peso dos passageiros, das bagagens e de toda a carga que porventura esteja levando. As asas fornecem a maior parte da força de sustentação (o empuxo, tal como vimos acima), mas a fuselagem também tem seu papel aerodinâmico. Para que surja a força de sustentação, a aeronave deve mover-se rapidamente no ar, o que é conseguido com o uso de hélices, turboélices ou turbinas.

Na cauda do avião, encontram-se os estabilizadores horizontal e vertical que contêm o leme e os elevadores ou profundores (veja a figura).

O papel do profundor é regular a inclinação da aeronave para cima, como quando há necessidade de elevar-se, ou para baixo, para pousar, por exemplo. O leme controla a direção do avião, mantendo-o em sua trajetória sem deslizar de um lado para outro.

Nas asas, existem também partes móveis, como os ailerãos, que são utilizados para fazer curvas e normalmente trabalham em sentidos opostos: quando um está para cima, o outro está para baixo.

Os instrumentos que movem todas essas partes nas asas e na cauda ficam na cabine de comando: trata-se de uma coluna de controle (o manche) e pedais. Empurrando a coluna para frente ou para trás, o piloto controla os profundores e, assim, sobe ou desce a nave. Se ele mover a coluna lateralmente, estará alterando a configuração dos ailerãos, o que faz o avião inclinar-se para um lado ou outro e, assim, fazer uma curva — ele conta com o leme para ajudar na curva e na estabilização da direção e utiliza os pedais para isso.

Você pode ver o funcionamento dos flapes (profundores) construindo um simples avião de papel. Veja como fazer isso na seção “Verificando as leis da aerodinâmica na prática”.