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Curiosidades
O que distingue a Engenharia Aeronáutica das demais engenharias?
Escrito por
Rogério Pinto Ribeiro
em 16 de setembro de 2019
Baixo
A Engenharia Aeronáutica como uma área distinta das demais engenharias teve início na Universidade de Paris em 1913, sendo logo seguida pelo curso oferecido pelo MIT em 1914.
Como se pode perceber, isso aconteceu num curto período de tempo após as primeiras experiências de voo levadas a cabo por Otto Lilienthal que em 1890 na Alemanha fez inúmeros voos de planador, os voos do Flyer dos Irmãos Wright em 1903, com uma aeronave motorizada mas ainda incapaz de decolar sem o auxilio de uma catapulta e , finalmente, o histórico voo do 14 bis de Alberto Santos Dumont que deu início aos aviões autopropulsados como vemos atualmente.
Interessante notar também que, os primeiros cursos de Engenharia Aeronáutica tiveram início coincidente com a deflagração da Primeira Guerra Mundial.
No Brasil o primeiro curso de bacharelado em Engenharia Aeronáutica foi oferecido pelo ITA em 1950 logo após o término da Segunda Guerra Mundial.
Não estariam os engenheiros formados nos cursos já existentes capacitados a desenvolver a indústria do transporte aéreo?
A complexidade dos aviões nos dá a resposta: não.
O ambiente de operação das aeronaves é extremamente exigente. Uma comparação com outras modalidades de transporte permite verificar essa afirmação com mais clareza.
O transporte terrestre de carga pode ser feito em veículos que se apoiam no solo e que utilizam velocidades de operação relativamente baixas quando comparadas às dos aviões. Seu apoio no solo lhes garante uma facilidade de estabilidade na trajetória. Suas rotas são basicamente unidirecionais com variações de altitude que raramente ultrapassam 1000m. Caminhões convencionais operam a velocidades próximas de 100km/h.
Caminhões pesados em velocidades ainda menores raramente ultrapassam 50km/h. Trens ferroviários convencionais tem velocidade semelhante à dos caminhões. Nessa faixa de velocidades, as forças aerodinâmicas são relativamente pequenas e concentradas basicamente na componente de arrasto.
Uma exceção são os trens de alta velocidade. Nesses equipamentos, engenheiros aeronáuticos são normalmente os responsáveis pelo desenvolvimento de modelos para estimativa das cargas aerodinâmicas utilizando metodologias que vão da aerodinâmica clássica à fluidodinâmica computacional e o auxílio de túneis de vento.
Trens de alta velocidade atingem velocidades de cerca de 400km/h com grande restrição à presença de aclives e declives nos trilhos. Nos trechos onde as curvas são obrigatórias, são empregados grandes raios de curvatura e ainda redução da velocidade. Sua propulsão, necessária para que atinja e mantenha a velocidade de cruzeiro, deve vencer a resistência ao rolamento dos sistemas rolantes e a resistência aerodinâmica.
Aviões são capazes de transportar grandes cargas em voo à velocidades próximas de 900km/h . Isso por si já exige uma máquina extremamente complexa, mas não podemos esquecer que uma parte da operação das aeronaves se dá no solo – taxiamento, decolagem e pouso.
Imagine agora movimentar cerca de 560ton no solo, peso máximo de decolagem (MTOW) de um Airbus380. A aeronave deve acelerar até a velocidade em que deixa o solo que é de cerca de 170knots ou 315km/h! Isso deve ser feito numa distância de aproximadamente 1900m e numa trajetória retilínea, mesmo em condições de ventos laterais moderados, tudo isso em cerca de 60s.
Só motores com enorme capacidade de empuxo são capazes de tornar isso possível. Versões do Airbus 380 utilizam 4 motores à reação Rolls-Royce Trent 900 com empuxo máximo de 70.000Lbf(ou 312KN) em cada motor. Mas isso não é tudo. É preciso levar a aeronave até seu nível ótimo de cruzeiro.
Imagine então a potência necessária para elevar uma máquina de centenas de toneladas do nível do mar até cerca de 11000m em aproximadamente 30 minutos. Antes de continuar, creio que uma questão deve ter ocorrido a vocês: se cada motor é capaz de fornecer no máximo 312KN e a aeronave possui 4 motores, teremos então um empuxo total de 1248KN.
Essa força se aplicada verticalmente seria capaz de elevar uma massa submetida à gravidade de no máximo 127.217kg, o que é muito menor do que a massa da aeronave. Como explicar então a subida da aeronave?
Se a força de tração dos motores é inferior à força peso da aeronave, deve haver então outra força a ser considerada. Isso é o que costumo chamar de a magia da aerodinâmica.
Voltando ao exemplo do Airbus380, no pouso, essa aeronave toca o solo com velocidade de cerca de 250km/h porém com um peso menor do que ao decolar devido ao consumo de combustível, mas ainda acima de 300ton. Novamente terá uma distância de cerca de 2000m para desacelerar mantendo uma precisa trajetória retilínea no eixo da pista. O sistema de frenagem tem que ser extremamente eficiente para permitir desacelerações intensas com controle preciso da trajetória. Além da componente horizontal da velocidade o trem de pouso deve ser capaz ainda de absorver e dissipar a energia cinética proveniente da componente vertical da velocidade no instante em que é feito o toque na pista. Isso para uma máquina de centenas de toneladas!
Navios operam em meio fluido como os aviões. Mas a semelhança se encerra aí. As embarcações se utilizam quase exclusivamente de empuxo estático. Além disso, operam na água, um fluido praticamente mil vezes mais denso que a atmosfera (Densidade da água 1000Kg/m3 e do ar ao nível do mar e 150C 1,225Kg/m3). Não têm alterações de altitude em suas rotas e navegam em baixas velocidades, raramente ultrapassando 25Knots ou cerca de 45km/h.
Assim, grandes navios com um peso de deslocamento de 185.000ton, navegando a 25Knots, podem ser propulsados por motores com cerca de 100MW. O empuxo estático é usado para manter a embarcação na condição de flutuabilidade. Assim o propulsor de um navio deve fornecer empuxo suficiente para mantê-lo na velocidade de cruzeiro vencendo as forças geradas pela resistência hidrodinâmica de sua parte submersa e a resistência aerodinâmica da parte exposta ao vento. Variações de curso são feitas em baixa velocidade e com trajetórias curvas de grande raio. Lemes hidrodinâmicos e motores auxiliares desempenham essa função. As reduções de velocidade e paradas podem contar com a inversão do vetor de empuxo do propulsor e de motores auxiliares. Exigem normalmente grandes distâncias já que as forças de inércia são bastante grandes.
No caso das aeronaves o empuxo estático é praticamente desprezado tendo em vista a baixa densidade da atmosfera.
Temos que recorrer ao efeito de pressão que ocorre quando um corpo se movimenta num fluído. Essa pressão exercida no corpo é a chamada pressão dinâmica. Podemos conhecer então uma chamada força de reação aerodinâmica.
Do vetor que representa essa força em módulo e direção, podemos separar uma componente na direção do deslocamento e que impede o seu avanço. Essa componente é a chamada de força de arrasto. Em alguns casos temos também uma componente que é normal à trajetória. Uma superfície com uma geometria convenientemente projetada como a asa de uma aeronave é capaz de gerar uma reação aerodinâmica que pode ser decomposta numa pequena força paralela à direção do voo, que já definimos como arrasto, e uma componente de maior intensidade, ortogonal ao arrasto, que chamamos de sustentação. Essa força de sustentação, gerada pelo deslocamento da asa na atmosfera é que mantém a aeronave em voo.
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