ESPORTE-CIÊNCIA, LAZER E CONHECIMENTO

           

O aeromodelismo causa um grande fascínio nas pessoas, seja crianças ou adultos, certamente pela "magia" que essas maquininhas voadoras apresentam. Muitos devem se perguntar: como e por quê isso voa?! A princípio, mesmo com essas indagações, a pessoa encara o aeromodelismo e vai pouco-a-pouco adquirindo noções básicas, técnicas, e até partindo para a construção de seu próprio aeromodelo. Mais cedo ou mais tarde o aeromodelista acaba descobrindo que seu esforço, auxílio de colegas de vôo e sua curiosidade valeram a pena! Falsos conceitos foram corrigidos e a tentativa do vôo foi superada, cedendo lugar à satisfação em "voar com os pés no chão'.

O aeromodelismo como esporte-ciência, além de proporcionar o lazer e campeonatos, pode ser muito útil para o entendimento de diversos fenômenos físicos. Nas escolas, cursos técnicos e universidade o assunto pode ser tratado de forma a contribuir muito no processo ensino-aprendizagem, dependendo das necessidades e do aprofundamento do assunto. Dessa forma, as questões consideradas "mágicas" acerca de como e por quê um aeromodelo (aeronave) voa pode ser entendida e experimentada.

O VCC (Vôo Circular Controlado), uma das modalidades do aeromodelismo, pode oferecer vastos exemplos educativos quando se deseja entender os fenômenos físicos envolvidos. Nesse texto vou tomar como exemplo o VCC porque o aeromodelo fica relativamente próximo ao praticante e expectadores, e como o próprio nome diz, o vôo descreve uma trajetória circular. E na natureza muitos fenômenos físicos são praticamente periódicos, isto é, repetem o ciclo de tempos em tempos. Nesse caso, fica mais fácil observar, analisar e reproduzir o fenômeno do vôo. O tratamento dado aqui será praticamente conceitual, embora o cálculo é necessário caso queira quantificar ou obter um valor numérico dos efeitos físicos.

Há quem prefere praticar aeromodelismo sem buscar compreender os fenômenos envolvidos acerca do vôo, assim como existe aqueles quem procuram entender bem as etapas do vôo. Seja apenas pilotando por puro lazer ou buscando maiores informações e desafios a respeito do vôo, uma coisa deve ser comum a todos os praticantes: o bom senso. A prática do VCC, também, torna-se muito mais empolgante quando o aeromodelista interage diretamente com o modelo, literalmente. Associo o VCC a uma aeronave que realiza ensaios aerodinâmicos em um túnel de vento (figura abaixo). Em um túnel de vento o protótipo de aeronave fica parado em relação ao solo e no VCC é o aeromodelo que se desloca em relação ao fluxo de ar.

É uma comparação grosseira, mas a semelhança está em o praticante poder viasualizar o aeromodelo (perfil) o tempo todo e sentir as respostas aos comando aplicados. No VCC várias são as categorias de aeromodelos: esporte, acrobático, corrida, escala, combate, etc. Cada um desses se comportam em vôo diferentemete um dos outros.

Retornando à proposta de utilizar o VCC como ferramenta didático-pedagógica, podemos notar que muitos dos efeitos sobre o VCC se referem à Mecânica Clássica de Newton: Forças e Movimentos, Momento e Conservação de Energia, Aerodinâmica, etc. A Termodinâmica também está envolvida nos motores e nos processos de combustão interna.

Movimento Circular Uniforme e Forças Centrais

A trajetória circular e uniforme descrita pelo VCC é possível porque o aeromodelo é fixado a um conjunto de cabos (raio), voando com uma certa velocidade escalar constante. Vetores e escalares são quantidades utilizadas na física. Como os cabos obrigam o modelo a traçar uma curva, uma força centrípeta surge nos cabos na direção da manete do piloto, fornecendo ao aeromodelo uma aceleração centrípeta na mesma direção. Se o aeromodelo estiver voando paralelamente ao chão (altura ~ 1.5m), a força centrípeta é igual à força centrífuga (sentimos o efeito dessa força no cabos). A força centrífuga é uma força fictícia pois surge devido ao efeito da inércia (pimeira lei de Newton ou lei da inércia) que tenderia a manter o aeromodelo em movimento retilíneo e uniforme se não fosse a força centrípeta --- responsável pela mudança de direção (curva) do aeromodelo.

A força centrífuga aumenta com o peso, com a velocidade do aeromodelo, e diminui com o aumento do raio de curvatura da trajetória. Ou seja, quanto mais veloz for o aeromodelo VCC, mais força (centrífuga) sentiremos nos cabos. Quando diminuímos os cabos consideravelmente notamos também um aumento da força nos cabos.

À medida que elevamos (ato de cabrar) o aeromodelo a configuração das forças envolvidas no aeromodelo se alteram! Por esse motivo os cabos se afrouxam, em certos casos, quando a força centrípeta não é suficiente para manter o modelo na trajetória circular elevada.

Frequência, Período e Velocidade Angular

Todos nós temos noção do que seja freqüência e período.  Freqüência é o número de vezes que um fenômeno se repete em um determinado tempo, e período é o tempo que leva para o fenômeno se repetir. No VCC frequência se traduz no número de voltas que o aeromodelo realiza por unidade de tempo, e período, é o tempo que a partícula leva para dar uma volta completa. Lembrando que frequência (oscilações/seg ou Hertz) é o inverso do período (segundo).

Podemos relacionar a frequência à velocidade angular do aeromodelo e obter daí a rapidez com que o aeromodelo VCC varre uma certo ângulo em um certo período. Ou seja, velocidade angular é a variação angular em função do tempo, análogo da velocidade escalar (vaiação do espaço percorrido em função do tempo).

Além da trajetória do VCC, podemos aplicar as definições de frequência, período e velocidade angular no movimento circular da hélice do motor, eixos, rodas e qualquer peça que gire com movimento circular uniforme.

Forças Aerodinâmicas

As asas ou perfis aerodinâmicos sustentam o aeromodelo no ar e o teorema de Bernoulli (lei do escoamento) é também responsável por esses efeitos. Esse teorema diz que, em um perfil, temos uma diferença de pressão estática entre o intradorso e o extradorso do perfil. Respectivamente, ocorre uma diminuição e aumento de pressão estática. Se a velocidade do ar aumenta, a pressão estática diminui, e vice-versa. Essa diferença de pressão origina forças aerodinâmicas no perfil.

Então, podemos dizer que forças aerodinâmicas são as reações provenientes do fluxo de ar sobre o perfil e correspondem de acordo com a distribuição da pressão em torno do perfil aerofólico. A resultante aerodinâmica é a força que resulta do perfil (asa) e pode ser decomposta em duas outras forças, força de sustentação e força de arrasto, para facilitar o entendimento.

Força de Sustentação é responsável pela elevação do perfil aerodinâmico (asa) e atua perpendicularmente à direção do fluxo de ar (vento relativo). Cada perfil gera uma certa intensidade de força de sustentação. Ou seja, essa força sustenta o peso do aeromodelo em vôo. O ângulo que o perfil faz com relação ao fluxo de ar chama-se ângulo de ataque. A configuração (intensidade, direção e sentido) das forças aerodinâmicas dependem também desse ângulo. Matematicamente, a sustentação é diretamente proporcional ao coeficiente de sustentação, densidade do ar, velocidade de vôo e área da asa. O coeficiente de sustentação é um número obtido experimentalmente e depende da geometria do perfil aerodinâmico(curvatura e espessura) e do ângulo de ataque.

Força de Arrasto age como uma força induzida (resiste ao avanço do perfil) e atua paralelamente ao fluxo de ar (vento relativo). Analogamente, o arrasto é diretamente proporcional ao coeficiente de arrasto, densidade do ar, velocidade de vôo e área alar.O coeficiente de arrasto também é obtido experimentalmente e dependente da geometria do perfil.

Resultante Aerodinâmica é a resultante das forças de sustentação e de arrasto. É uma reação proveniente do fluxo de ar sobre o perfil, onde vale a terceira lei de Newton (lei da ação-reação), isto é, o ar é empurrado pelo perfil (ação) e o perfil empurra o ar (reação), deslocando o fluxo de ar para baixo e, assim, o perfil tende a se deslocar para cima e para trás.

Essa resultante aerodinâmica parte de um ponto no aerofólio que se chama centro de pressão (CP, resultante da distribuição de pressões sobre um aerofólio). A intensidade da resultante aerodinâmica aumenta com o valor do ângulo de ataque e o CP se desloca ao longo da corda média do perfil e para frente, conforme o aumento desse ângulo!

O Glenn Research Center da NASA disponibiliza via internet um software livre para simulação de aerofólios.

Os praticantes do VCC sabem muito bem que essas forças aerodinâmicas são importantes também quando se constrói um aeromodelo classe F2B (acrobático) pois deseja-se obter o máximo de sustentação, e um certo arrasto. Acrobáticos são extremamente leves a essa configuração de forças de sustentação e arrasto permitem ao piloto realizar manobras acrobáticas com segurança pois o aeromodelo torna-se mais estável e "menos veloz".

Como obter um perfil com grande coeficiente de sustentação e arrasto?

Em um determinado ângulo de ataque, um perfil apresenta grande coeficiente de sustentação quanto mais se consegue defletir o fluxo de ar sobre ele. Quanto mais curvada (arqueada) for a superfície mais sustentação o perfil gera também. Ou seja, quanto maior a curvatura do perfil, maior a resultante aerodinâmica, aumentando também a sustentação e o arrasto.

A espessura de um perfil determina a diferença de pressão entre o intradorso e o extradorso. Quanto maior a diferença de pressão, maior a sustentação. A espessura tem influência sobre o valor do coeficiente de sustentação máximo que o perfil (asa) pode produzir.