Voo - Flight

Voo inventado pelo homem: um Boeing 787 da Royal Jordanian Airlines

Vôo ou vôo é o processo pelo qual um objeto se move através de um espaço sem entrar em contato com nenhuma superfície planetária , seja dentro de uma atmosfera (ou seja, vôo aéreo ou aviação ) ou através do vácuo do espaço sideral (ou seja, vôo espacial ). Isso pode ser conseguido gerando elevação aerodinâmica associada ao empuxo de deslizamento ou propulsão , aerostaticamente usando flutuabilidade ou por movimento balístico .

Muitas coisas podem voar, desde animais aviadores , como pássaros , morcegos e insetos , até planadores / pára-quedistas naturais, como animais patagiais , sementes anemocóricas e balistosporos , até invenções humanas como aeronaves ( aviões , helicópteros , dirigíveis , balões , etc.) e foguetes que pode impulsionar espaçonaves e aviões espaciais .

Os aspectos de engenharia de vôo são o campo de ação da engenharia aeroespacial, que é subdividida em aeronáutica , o estudo dos veículos que viajam pela atmosfera, e astronáutica , o estudo dos veículos que viajam pelo espaço, e balística , o estudo do vôo de projéteis.

Tipos de voo

Vôo flutuante

Um dirigível voa porque a força para cima, do deslocamento do ar, é igual ou maior que a força da gravidade

Os humanos conseguiram construir veículos mais leves que o ar que se erguem do solo e voam, devido à sua flutuabilidade no ar.

Um aeróstato é um sistema que permanece no ar principalmente por meio do uso de flutuabilidade para dar a uma aeronave a mesma densidade geral que o ar. Aerostats incluem balões grátis , dirigíveis e balões ancorados . Principal componente estrutural de um aeróstato é o seu envelope , um leve pele que envolve um volume de gás de elevação para proporcionar flutuabilidade , ao qual outros componentes estão ligados.

Os aeróstatos são assim chamados porque usam sustentação "aerostática", uma força de empuxo que não requer movimento lateral através da massa de ar circundante para efetuar uma força de sustentação. Em contraste, os aerodinâmicos usam principalmente a sustentação aerodinâmica , que requer o movimento lateral de pelo menos alguma parte da aeronave através da massa de ar circundante.

Vôo aerodinâmico

Voo sem motor versus voo com motor

Algumas coisas que voam não geram impulso propulsor pelo ar, por exemplo, o esquilo voador . Isso é chamado de deslizamento . Algumas outras coisas podem explorar o ar ascendente para escalar, como raptores (ao planar) e planadores de planadores feitos pelo homem . Isso é denominado crescente . No entanto, a maioria dos outros pássaros e todas as aeronaves motorizadas precisam de uma fonte de propulsão para subir. Isso é denominado vôo motorizado.

Vôo animal

Pato- real fêmea
Libélula esmeralda tau
Kea

Os únicos grupos de seres vivos que usam o vôo motorizado são pássaros , insetos e morcegos , enquanto muitos grupos evoluíram para planar. Os extintos pterossauros , uma ordem de répteis contemporâneos dos dinossauros , também eram animais voadores muito bem-sucedidos. As asas de cada um desses grupos evoluíram independentemente , sendo os insetos o primeiro grupo animal a desenvolver o vôo. As asas dos grupos de vertebrados voadores são todas baseadas nos membros anteriores, mas diferem significativamente em estrutura; as dos insetos são hipotetizadas como versões altamente modificadas de estruturas que formam brânquias na maioria dos outros grupos de artrópodes .

Os morcegos são os únicos mamíferos capazes de sustentar o vôo nivelado (veja vôo dos morcegos ). No entanto, existem vários mamíferos planadores que são capazes de voar de árvore em árvore usando membranas carnudas entre seus membros; alguns podem viajar centenas de metros dessa maneira com muito pouca perda de altura. Os sapos voadores usam pés palmados muito maiores para um propósito semelhante, e há lagartos voadores que dobram suas costelas móveis em um par de superfícies planas planas. As cobras "voadoras" também usam costelas móveis para achatar seu corpo em uma forma aerodinâmica, com um movimento de vaivém semelhante ao que usam no solo.

Peixes voadores podem planar usando barbatanas em forma de asas alargadas e foram observados voando por centenas de metros. Pensa-se que esta habilidade foi escolhida por seleção natural porque era um meio eficaz de escapar de predadores subaquáticos. O vôo mais longo de um peixe voador foi de 45 segundos.

A maioria dos pássaros voa ( veja o vôo dos pássaros ), com algumas exceções. Os maiores pássaros, o avestruz e a ema , são pássaros terrestres que não voam , assim como os agora extintos dodôs e os forusrhacídeos , que foram os predadores dominantes da América do Sul na era Cenozóica . Os pinguins que não voam têm asas adaptadas para uso debaixo d'água e usam os mesmos movimentos das asas para nadar que a maioria das outras aves usam para voar. A maioria dos pássaros pequenos que não voam são nativos de pequenas ilhas e levam um estilo de vida em que o vôo oferece poucas vantagens.

Entre os animais vivos que voam, o albatroz errante tem a maior envergadura, até 3,5 metros (11 pés); a abetarda tem o maior peso, pesando mais de 21 quilos.

A maioria das espécies de insetos pode voar como adultos. O voo dos insetos usa um de dois modelos aerodinâmicos básicos: a criação de um vórtice de vanguarda, encontrado na maioria dos insetos, e o uso de palmas e arremessos , encontrados em insetos muito pequenos, como tripes .

Mecânico

Voo mecânico: um helicóptero Robinson R22 Beta

O vôo mecânico é o uso de uma máquina para voar. Essas máquinas incluem aeronaves , como aviões , planadores , helicópteros , autogiros , aeronaves , balões , ornitópteros , bem como espaçonaves . Os planadores são capazes de voar sem motor. Outra forma de vôo mecânico é o parasailing, onde um objeto parecido com um pára-quedas é puxado por um barco. Em um avião, a sustentação é criada pelas asas; os formatos das asas do avião são projetados especialmente para o tipo de vôo desejado. Existem diferentes tipos de asas: temperadas, semi-temperadas, retangulares, retangulares e elípticas. Uma asa de aeronave é às vezes chamada de aerofólio , que é um dispositivo que cria sustentação quando o ar flui por ela.

Supersônico

O vôo supersônico é um vôo mais rápido que a velocidade do som . O vôo supersônico está associado à formação de ondas de choque que formam um estrondo sônico que pode ser ouvido do solo e frequentemente é surpreendente. Essa onda de choque consome muita energia para ser criada e isso torna o vôo supersônico geralmente menos eficiente do que o vôo subsônico a cerca de 85% da velocidade do som.

Hipersônico

O vôo hipersônico é um vôo de altíssima velocidade, onde o calor gerado pela compressão do ar devido ao movimento através do ar causa alterações químicas no ar. O vôo hipersônico é alcançado pela reentrada em espaçonaves como o Ônibus Espacial e a Soyuz .

Balístico

Atmosférico

Algumas coisas geram pouca ou nenhuma sustentação e se movem apenas ou principalmente sob a ação do momento, da gravidade, da resistência do ar e, em alguns casos, do impulso. Isso é denominado vôo balístico . Os exemplos incluem bolas , flechas , balas , fogos de artifício , etc.

Voo espacial

Essencialmente uma forma extrema de vôo balístico, o vôo espacial é o uso da tecnologia espacial para realizar o vôo de uma espaçonave para dentro e através do espaço sideral . Os exemplos incluem mísseis balísticos , vôo espacial orbital , etc.

O voo espacial é usado na exploração do espaço e também em atividades comerciais como turismo espacial e telecomunicações por satélite . Outros usos não comerciais de voos espaciais incluem observatórios espaciais , satélites de reconhecimento e outros satélites de observação da Terra .

Um vôo espacial normalmente começa com o lançamento de um foguete , que fornece o impulso inicial para superar a força da gravidade e impulsiona a espaçonave da superfície da Terra. Uma vez no espaço, o movimento de uma espaçonave - tanto quando sem propulsão quanto quando está sob propulsão - é coberto pela área de estudo chamada astrodinâmica . Algumas espaçonaves permanecem no espaço indefinidamente, algumas se desintegram durante a reentrada atmosférica e outras alcançam uma superfície planetária ou lunar para pousar ou causar impacto.

Propulsão de estado sólido

Em 2018, pesquisadores do Massachusetts Institute of Technology (MIT) conseguiram pilotar um avião sem partes móveis, movido por um " vento iônico " também conhecido como empuxo eletroaerodinâmico.

História

Muitas culturas humanas construíram dispositivos que voam, desde os primeiros projéteis, como pedras e lanças, o bumerangue na Austrália , a lanterna Kongming de ar quente e pipas .

Aviação

George Cayley estudou o vôo cientificamente na primeira metade do século 19, e na segunda metade do século 19 Otto Lilienthal fez mais de 200 voos planados e também foi um dos primeiros a entender o vôo cientificamente. Seu trabalho foi replicado e estendido pelos irmãos Wright que fizeram voos planadores e, finalmente, os primeiros voos controlados e estendidos com motorização tripulada.

Voo espacial

O voo espacial, particularmente o voo espacial humano, tornou-se uma realidade no século 20 após descobertas teóricas e práticas de Konstantin Tsiolkovsky e Robert H. Goddard . O primeiro vôo espacial orbital foi em 1957, e Yuri Gagarin foi carregado a bordo do primeiro vôo espacial orbital tripulado em 1961.

Física

Os dirigíveis mais leves que o ar são capazes de voar sem nenhuma grande entrada de energia

Existem diferentes abordagens para voar. Se um objecto tem uma menor densidade do que o ar, então é flutuante e é capaz de flutuar no ar , sem gasto de energia. Uma nave mais pesada que o avião, conhecida como aeródina , inclui animais que voam e insetos, aeronaves de asa fixa e helicópteros . Como a nave é mais pesada que o ar, ela deve gerar sustentação para superar seu peso . A resistência do vento causada pelo movimento da nave no ar é chamada de arrasto e é superada pelo empuxo propulsivo, exceto no caso de deslizamento .

Alguns veículos também usam o empuxo para o vôo, por exemplo, foguetes e jatos Harrier Jump .

Finalmente, o momentum domina o vôo de objetos voadores balísticos.

Forças

Principais forças atuando em uma aeronave mais pesada que o ar

Forças relevantes para o vôo são

Essas forças devem ser equilibradas para que ocorra um vôo estável.

Impulso

Forças em uma seção transversal de aerofólio

Uma aeronave de asa fixa gera impulso para frente quando o ar é empurrado na direção oposta ao vôo. Isso pode ser feito de várias maneiras, incluindo pás giratórias de uma hélice , ou um ventilador girando empurrando o ar para fora da parte traseira de um motor a jato , ou pela ejeção de gases quentes de um motor de foguete . O impulso para a frente é proporcional à massa da corrente de ar multiplicada pela diferença na velocidade da corrente de ar. O empuxo reverso pode ser gerado para auxiliar na frenagem após o pouso, invertendo o passo das pás da hélice de passo variável ou usando um reversor de empuxo em um motor a jato. Aeronaves de asa rotativa e aeronaves V / STOL de vetor de empuxo usam o empuxo do motor para suportar o peso da aeronave e a soma vetorial desse empuxo para frente e para trás para controlar a velocidade de avanço.

Elevar

A sustentação é definida como o componente da força aerodinâmica perpendicular à direção do fluxo e o arrasto é o componente paralelo à direção do fluxo

No contexto de um fluxo de ar em relação a um corpo voador, a força de sustentação é o componente da força aerodinâmica que é perpendicular à direção do fluxo. A sustentação aerodinâmica ocorre quando a asa faz com que o ar circundante seja desviado - o ar então causa uma força na asa na direção oposta, de acordo com a terceira lei do movimento de Newton .

A sustentação é comumente associada à asa de uma aeronave , embora a sustentação também seja gerada por rotores em aeronaves de asas rotativas (que são efetivamente asas giratórias, desempenhando a mesma função sem exigir que a aeronave se mova para frente no ar). Embora os significados comuns da palavra " sustentação " sugiram que a sustentação se opõe à gravidade, a sustentação aerodinâmica pode ser em qualquer direção. Quando uma aeronave está em cruzeiro, por exemplo, a sustentação se opõe à gravidade, mas ocorre em um ângulo ao subir, descer ou inclinar. Em carros de alta velocidade, a força de elevação é direcionada para baixo (chamada "força para baixo") para manter o carro estável na estrada.

Arrastar

Para um objeto sólido que se move através de um fluido, o arrasto é o componente da força aerodinâmica ou hidrodinâmica líquida agindo de forma oposta à direção do movimento. Portanto, o arrasto se opõe ao movimento do objeto e, em um veículo motorizado, deve ser superado por impulso . O processo que cria sustentação também causa algum arrasto.

Razão de levantamento para arrastar

Relações de velocidade e arrasto para uma aeronave típica

A sustentação aerodinâmica é criada pelo movimento de um objeto aerodinâmico (asa) através do ar, que devido à sua forma e ângulo desvia o ar. Para vôo reto e nivelado sustentado, a sustentação deve ser igual e oposta ao peso. Em geral, asas estreitas longas são capazes de desviar uma grande quantidade de ar a uma velocidade lenta, enquanto asas menores precisam de uma velocidade de avanço maior para desviar uma quantidade equivalente de ar e, assim, gerar uma quantidade equivalente de sustentação. As aeronaves de carga grandes tendem a usar asas mais longas com ângulos de ataque mais altos, enquanto as aeronaves supersônicas tendem a ter asas curtas e dependem fortemente da alta velocidade de avanço para gerar sustentação.

No entanto, esse processo de sustentação (deflexão) causa inevitavelmente uma força de retardo chamada arrasto. Como a sustentação e o arrasto são forças aerodinâmicas, a razão de sustentação e arrasto é uma indicação da eficiência aerodinâmica do avião. A razão de sustentação para arrasto é a razão L / D, pronunciada "razão L sobre D". Um avião tem uma alta relação L / D se produzir uma grande quantidade de sustentação ou uma pequena quantidade de arrasto. A razão de sustentação / arrasto é determinada dividindo o coeficiente de sustentação pelo coeficiente de arrasto, CL / CD.

O coeficiente de sustentação Cl é igual à sustentação L dividido pela (densidade r vezes metade da velocidade V ao quadrado vezes a área da asa A). [Cl = L / (A * .5 * r * V ^ 2)] O coeficiente de sustentação também é afetado pela compressibilidade do ar, que é muito maior em velocidades mais altas, então a velocidade V não é uma função linear. A compressibilidade também é afetada pela forma das superfícies da aeronave.

O coeficiente de arrasto Cd é igual ao arrasto D dividido pelo (densidade r vezes metade da velocidade V ao quadrado vezes a área de referência A). [Cd = D / (A * .5 * r * V ^ 2)]

As relações de levantamento para arrasto para aeronaves práticas variam de cerca de 4: 1 para veículos e pássaros com asas relativamente curtas, até 60: 1 ou mais para veículos com asas muito longas, como planadores. Um ângulo de ataque maior em relação ao movimento para frente também aumenta a extensão da deflexão e, portanto, gera sustentação extra. No entanto, um ângulo de ataque maior também gera resistência extra.

A taxa de sustentação / arrasto também determina a razão de planeio e a amplitude de deslizamento. Uma vez que a razão de planeio é baseada apenas na relação das forças aerodinâmicas que atuam na aeronave, o peso da aeronave não a afetará. O único efeito que o peso tem é variar o tempo que a aeronave planará - uma aeronave mais pesada planando em uma velocidade maior chegará ao mesmo ponto de toque em um tempo menor.

Flutuabilidade

A pressão do ar atuando contra um objeto no ar é maior do que a pressão acima da pressão para baixo. A flutuabilidade, em ambos os casos, é igual ao peso do fluido deslocado - o princípio de Arquimedes vale para o ar assim como para a água.

Um metro cúbico de ar à pressão atmosférica normal e à temperatura ambiente tem uma massa de cerca de 1,2 quilogramas, então seu peso é de cerca de 12 newtons . Portanto, qualquer objeto de 1 metro cúbico no ar é impulsionado por uma força de 12 newtons. Se a massa do objeto de 1 metro cúbico for maior do que 1,2 kg (de modo que seu peso seja maior do que 12 newtons), ele cai no chão ao ser liberado. Se um objeto desse tamanho tiver uma massa inferior a 1,2 kg, ele se eleva no ar. Qualquer objeto que tenha uma massa menor que a massa de um volume igual de ar se elevará no ar - em outras palavras, qualquer objeto menos denso que o ar se elevará.

Relação de empuxo para peso

A relação empuxo-peso é, como o próprio nome sugere, a proporção do empuxo instantâneo ao peso (onde peso significa peso na aceleração padrão da Terra ). É um parâmetro adimensional característico de foguetes e outros motores a jato e de veículos movidos por esses motores (normalmente, veículos lançadores espaciais e aviões a jato ).

Se a razão empuxo-peso for maior do que a força da gravidade local (expressa em g s), então o vôo pode ocorrer sem qualquer movimento para a frente ou qualquer elevação aerodinâmica sendo necessária.

Se a razão empuxo-peso vezes a razão sustentação-arrasto for maior que a gravidade local, então a decolagem usando sustentação aerodinâmica é possível.

Dinâmica de vôo

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A inclinação para cima das asas e da cauda de uma aeronave, como visto neste Boeing 737 , é chamada de ângulo diédrico

A dinâmica de vôo é a ciência da orientação e controle dos veículos aéreos e espaciais em três dimensões. Os três parâmetros críticos da dinâmica de vôo são os ângulos de rotação em três dimensões sobre o centro de massa do veículo , conhecidos como pitch , roll e yaw (veja as rotações de Tait-Bryan para uma explicação).

O controle dessas dimensões pode envolver um estabilizador horizontal (ou seja, "uma cauda"), ailerons e outros dispositivos aerodinâmicos móveis que controlam a estabilidade angular, ou seja, a atitude de vôo (que por sua vez afeta a altitude , a proa ). As asas costumam ser ligeiramente inclinadas para cima - elas têm um " ângulo diedro positivo " que proporciona uma estabilização de rotação inerente.

Eficiência energética

Para criar impulso de modo a ser capaz de ganhar altura e empurrar o ar para superar o arrasto associado à sustentação, tudo exige energia. Diferentes objetos e criaturas capazes de voar variam na eficiência de seus músculos, motores e como isso se traduz em impulso para a frente.

A eficiência propulsiva determina quanta energia os veículos geram a partir de uma unidade de combustível.

Faixa

O alcance que os artigos de voo motorizados podem atingir é, em última análise, limitado pelo seu arrasto, bem como pela quantidade de energia que podem armazenar a bordo e pela eficiência com que podem transformar essa energia em propulsão.

Para aeronaves motorizadas, a energia útil é determinada por sua fração de combustível - que porcentagem do peso de decolagem é combustível, bem como a energia específica do combustível usado.

Relação potência-peso

Todos os animais e dispositivos capazes de voar sustentado precisam de relações potência-peso relativamente altas para gerar sustentação e / ou impulso suficientes para a decolagem.

Decolagem e pouso

Os veículos que podem voar podem ter maneiras diferentes de decolar e pousar . As aeronaves convencionais aceleram ao longo do solo até que a sustentação suficiente seja gerada para a decolagem e invertem o processo para o pouso . Algumas aeronaves podem decolar em baixa velocidade; isso é chamado de decolagem curta. Algumas aeronaves, como helicópteros e jatos Harrier, podem decolar e pousar verticalmente. Foguetes também decolam e pousam verticalmente, mas alguns projetos podem pousar horizontalmente.

Orientação, navegação e controle

Navegação

A navegação é o sistema necessário para calcular a posição atual (por exemplo , bússola , GPS , LORAN , rastreador de estrelas , unidade de medida inercial e altímetro ).

Em aeronaves, a navegação aérea bem-sucedida envolve pilotar uma aeronave de um lugar para outro sem se perder, infringir as leis aplicáveis ​​à aeronave ou colocar em risco a segurança das pessoas a bordo ou no solo .

As técnicas utilizadas para navegação aérea dependerão se a aeronave está voando sob as regras de voo visual (VFR) ou as regras de voo por instrumentos (IFR). Neste último caso, o piloto navegará exclusivamente por meio de instrumentos e auxiliares de radionavegação , como balizas, ou conforme direcionado pelo controle de radar do controle de tráfego aéreo . No caso VFR, um piloto navegará amplamente usando o cálculo morto combinado com observações visuais (conhecido como pilotagem ), com referência aos mapas apropriados. Isso pode ser complementado com ajudas de navegação de rádio.

Orientação

Um sistema de orientação é um dispositivo ou grupo de dispositivos usados ​​na navegação de um navio , aeronave , míssil , foguete , satélite ou outro objeto móvel. Normalmente, a orientação é responsável pelo cálculo do vetor (ou seja, direção, velocidade) em direção a um objetivo.

Ao controle

Um sistema de controle de vôo de aeronave de asa fixa convencional consiste em superfícies de controle de vôo , os respectivos controles da cabine, conexões de conexão e os mecanismos operacionais necessários para controlar a direção de uma aeronave em vôo. Os controles do motor da aeronave também são considerados como controles de vôo, pois mudam a velocidade.

Tráfego

No caso de aeronaves, o tráfego aéreo é controlado por sistemas de controle de tráfego aéreo .

A prevenção de colisões é o processo de controle de espaçonaves para tentar evitar colisões.

Segurança de vôo

Segurança aérea é um termo que engloba a teoria, investigação e categorização de falhas de voo , e a prevenção de tais falhas por meio de regulamentação, educação e treinamento. Também pode ser aplicado no contexto de campanhas que informam o público sobre a segurança das viagens aéreas .

Veja também

Referências

Notas
Bibliografia

links externos

Voo guia de viagem de wikivoyage