Ninguém pode explicar por que os aviões permanecem no ar

Einstein então deu uma explicação que pressupunha um comportamento incompressível e sem atrito fluido, ou seja, um fluido ideal. Sem mencionar o nome de Bernoulli, ele deu uma explicação que é consistente com o princípio de Bernoulli, dizendo que a pressão do fluido é maior onde sua velocidade é mais lenta, e vice-versa. Para tirar proveito dessas diferenças de pressão, Einstein propôs um aerofólio com uma protuberância no topo de forma que a forma aumentasse a velocidade do fluxo de ar acima da protuberância e, assim, diminuísse a pressão ali também.

Einstein provavelmente pensou que seu ideal- a análise de fluidos se aplicaria igualmente bem a fluxos de fluidos do mundo real. Em 1917, com base em sua teoria, Einstein projetou um aerofólio que mais tarde veio a ser conhecido como asa de gato por causa de sua semelhança com a corcunda de um gato alongado. Ele trouxe o projeto para o fabricante de aeronaves LVG (Luftverkehrsgesellschaft) em Berlim, que construiu uma nova máquina voadora em torno dele. Um piloto de teste relatou que a nave oscilava no ar como “uma pata grávida”. Muito mais tarde, em 1954, o próprio Einstein chamou sua excursão à aeronáutica uma “loucura juvenil”. O indivíduo que nos deu teorias radicalmente novas que penetraram tanto nos menores quanto nos maiores componentes do universo, no entanto, falhou em dar uma contribuição positiva para a compreensão da sustentação ou em criar um projeto prático de aerofólio.

Em direção a uma teoria completa de sustentação

As abordagens científicas contemporâneas para o projeto de aeronaves são o domínio das simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD) e as chamadas equações de Navier-Stokes, que levam em conta a viscosidade real do ar real . As soluções dessas equações e a saída das simulações CFD geram previsões de distribuição de pressão, padrões de fluxo de ar e resultados quantitativos que são a base para os projetos de aeronaves altamente avançados de hoje. Ainda assim, eles por si só não fornecem uma explicação física e qualitativa da sustentação.

Nos últimos anos, no entanto, o importante aerodinamicista Doug McLean tentou ir além do puro formalismo matemático e lidar com a causa física- relações de efeito que são responsáveis pela elevação em todas as suas manifestações da vida real. McLean, que passou a maior parte de sua carreira profissional como engenheiro na Boeing Commercial Airplanes, onde se especializou em desenvolvimento de código CFD, publicou suas novas ideias no texto de 2012 Understanding Aerodynamics: Arguing from the Real Physics.

Considerando que o livro tem mais de 500 páginas de análise técnica bastante densa, é surpreendente ver que inclui uma seção (7.3.3) intitulada “Uma explicação básica de sustentação em um aerofólio, acessível a um público não técnico”. Produzir essas 16 páginas não foi fácil para McLean, um mestre no assunto; na verdade, foi “provavelmente a parte mais difícil do livro de escrever”, diz o autor. “Ele passou por mais revisões do que posso contar. Nunca fiquei totalmente feliz com isso.”

A explicação complexa de McLean para a sustentação começa com a suposição básica de toda a aerodinâmica comum: o ar ao redor de uma asa age como ” material contínuo que se deforma para seguir os contornos do aerofólio. ” Essa deformação existe na forma de uma faixa profunda de fluxo de fluido acima e abaixo da asa. “O aerofólio afeta a pressão sobre uma ampla área no que é chamado de campo de pressão”, escreve McLean. “Quando a sustentação é produzida, uma nuvem difusa de baixa pressão sempre se forma acima do aerofólio, e uma nuvem difusa de alta pressão geralmente se forma abaixo . Onde essas nuvens tocam o aerofólio, constituem a diferença de pressão que exerce sustentação no aerofólio. ”

A asa empurra o ar para baixo, resultando em uma curva do fluxo de ar para baixo. O ar acima da asa é acelerado de acordo com o princípio de Bernoulli. Além disso, existe uma área de alta pressão abaixo da asa e uma região de baixa pressão acima. Isso significa que há quatro componentes necessários na explicação de McLean sobre a sustentação: uma virada para baixo do fluxo de ar, um aumento na velocidade do fluxo de ar, uma área de baixa pressão e uma área de alta pressão.

Mas é a inter-relação entre esses quatro elementos que é o aspecto mais novo e distinto do relato de McLean. “Eles se apóiam em uma relação recíproca de causa e efeito, e nenhum existiria sem os outros”, escreve ele. “As diferenças de pressão exercem a força de sustentação no aerofólio, enquanto a curva descendente do fluxo e as mudanças no a velocidade do fluxo sustenta as diferenças de pressão.“É esta inter-relação que constitui um quinto elemento da explicação de McLean: a reciprocidade entre os outros quatro. É como se esses quatro componentes coletivamente trouxessem a si próprios à existência e se sustentassem por meio de atos simultâneos de criação e causação mútua.

Parece haver uma sugestão de magia nessa sinergia. O processo que McLean descreve parece semelhante a quatro agentes ativos puxando as botas uns dos outros para se manter no ar coletivamente. Ou, como ele reconhece, é um caso de “causa e efeito circular”. Como é possível para cada elemento da interação sustentar e reforçar todos os outros? E o que causa essa interação mútua, recíproca e dinâmica? Resposta de McLean: a segunda lei do movimento de Newton.

A segunda lei de Newton afirma que a aceleração de um corpo, ou uma parcela de fluido, é proporcional à força exercida sobre ele. “A segunda lei de Newton nos diz que quando uma diferença de pressão impõe uma força líquida em uma parcela de fluido, ela deve causar uma mudança na velocidade ou direção (ou ambos) do movimento do pacote ”, explica McLean. Mas, reciprocamente, a diferença de pressão depende e existe por causa da aceleração do pacote.

Não estamos conseguindo algo por nada aqui? McLean diz que não: se a asa estivesse em repouso, nenhuma parte desse aglomerado de atividades de reforço mútuo existiria. Mas o fato de a asa se mover no ar, com cada parcela afetando todas as outras, traz à existência esses elementos co-dependentes e os sustenta durante todo o vôo.

Ativando a reciprocidade de sustentação

Logo após a publicação de Understanding Aerodynamics, McLean percebeu que não havia levado em conta todos os elementos da sustentação aerodinâmica, porque não explicou de forma convincente o que faz com que as pressões na asa mudem do ambiente. Então, em novembro de 2018, McLean publicou um artigo de duas partes no The Physics Teacher no qual ele propôs “uma explicação física abrangente” da elevação aerodinâmica.

Embora o artigo reafirme amplamente a linha de argumento anterior de McLean, também tenta adicionar uma explicação melhor sobre o que faz com que o campo de pressão seja não uniforme e assuma a forma física que ele assume. Em particular, seu novo argumento introduz uma interação mútua no nível do campo de fluxo de modo que o campo de pressão não uniforme seja um resultado de uma força aplicada, a força descendente exercida no ar pelo aerofólio.

Se a seção 7.3.3 de McLean e seu artigo subsequente são bem-sucedidos em fornecer um relato completo e correto da sustentação está aberto a interpretação e debate. Há razões pelas quais é difícil produzir uma descrição clara, simples e satisfatória da sustentação aerodinâmica. Por um lado, os fluxos de fluidos são mais complexos e mais difíceis de entender do que os movimentos de objetos sólidos, especialmente fluidos fluxos que se separam na borda de ataque da asa e estão sujeitos a diferentes forças físicas ao longo da parte superior e inferior. Algumas das disputas relativas à sustentação não envolvem os fatos em si, mas sim como esses fatos devem ser interpretados, o que pode envolver questões que são impossíveis de decidir por experimento.

No entanto, existem neste ponto apenas alguns assuntos pendentes que requerem explicação. A sustentação, como você deve se lembrar, é o resultado das diferenças de pressão entre as partes superior e inferior de um aerofólio. Já temos uma explicação aceitável para o que acontece na parte inferior de um aerofólio: o ar que se aproxima empurra a asa verticalmente (produzindo sustentação) e horizontalmente (produzindo arrasto). O impulso para cima existe na forma de pressão mais alta abaixo da asa, e essa pressão mais alta é o resultado da simples ação e reação newtoniana.

As coisas são bem diferentes no topo da asa, entretanto. Lá existe uma região de pressão mais baixa que também faz parte da força de elevação aerodinâmica. Mas se nem o princípio de Bernoulli nem a terceira lei de Newton explicam isso, o que o faz? Sabemos pelas linhas aerodinâmicas que o ar acima da asa adere intimamente à curvatura para baixo do aerofólio. Mas por que as parcelas de ar que se movem pela superfície superior da asa devem seguir sua curvatura para baixo? Por que eles não podem se separar dele e voar direto de volta?

Mark Drela, professor de dinâmica de fluidos no Instituto de Tecnologia de Massachusetts e autor de Aerodinâmica de veículos de vôo, oferece uma resposta: “Se as parcelas momentaneamente voasse tangente à superfície superior do aerofólio, haveria literalmente um vácuo criado abaixo deles ”, explica ele.“ Esse vácuo então sugaria os pacotes até que eles preencham quase todo o vácuo, ou seja, até que se movam tangente ao aerofólio novamente . Este é o mecanismo físico que força os pacotes a se moverem ao longo do formato do aerofólio. Um leve vácuo parcial permanece para manter as parcelas em um caminho curvo. ”

Esse afastamento ou puxamento dessas parcelas aéreas de suas parcelas vizinhas acima é o que cria a área de menor pressão no topo da asa.Mas outro efeito também acompanha essa ação: a maior velocidade do fluxo de ar no topo da asa. “A pressão reduzida sobre uma asa de elevação também puxa horizontalmente os pacotes aéreos conforme eles se aproximam de montante, então eles têm uma velocidade mais alta no momento em que chegam acima da asa”, diz Drela. “Portanto, a velocidade aumentada acima da asa de elevação pode ser visto como um efeito colateral da pressão reduzida ali. ”

Mas, como sempre, quando se trata de explicar a elevação em um nível não técnico, outro especialista terá outra resposta. O aerodinamicista de Cambridge Babinsky diz: “Odeio discordar de meu estimado colega Mark Drela, mas se a criação de um vácuo fosse a explicação, então é difícil explicar por que às vezes o fluxo ainda assim se separa da superfície. Mas ele está correto em todo o resto. O problema é que não há uma explicação rápida e fácil. ”

O próprio Drela admite que sua explicação é insatisfatória em alguns aspectos. ,” ele diz. Então, onde isso nos deixa? Na verdade, exatamente onde começamos: com John D. Anderson, que afirmou: “Não há uma resposta simples e direta para isso.”