“Como é possível que um avião voe?”, você já deve ter se perguntado. Afinal de contas, a maioria de nós sabe que, quando um objeto é mais pesado que o ar, a tendência é que ele fique quietinho no chão. No entanto, a curiosidade que sempre moveu os homens foi uma das responsáveis por ter feito com que ele, ao longo do tempo, acumulasse conhecimentos dos fenômenos da natureza e, através deles, criasse tecnologias e máquinas capazes de fazer algumas “mágicas”, entre elas, a de que um objeto tão pesado (um avião comercial pesa em torno de 227 toneladas) fosse capaz de permanecer nos ares.
Nesse aglomerado de conhecimentos, as leis da física tiveram grande importância para que mágicas como essa pudessem ser realizadas. No caso das aeronaves, as três leis de Newton, que descrevem os movimentos dos objetos em termos de forças, foram de fundamental importância. Descobriu-se, em primeiro lugar, que existem duas forças com as quais precisamos “lutar” para conseguir voar: a força da gravidade, que faz com que os corpos caiam e mantenham-se “presos” ao chão, e as forças de atrito, que fazem os corpos parar e são sempre contrárias à direção de qualquer movimento. “No caso de um avião em contato com o ar, a força de atrito, também chamada de força de arrasto, impedirá que ele se mova para frente. Essa força aumenta proporcionalmente à velocidade do corpo, ou seja, quanto mais rapidamente ele se deslocar, maior será o atrito por arrasto”, explica o docente do Instituto de Física de São Carlos (IFSC/USP), Francisco Eduardo Gontijo Guimarães.
Vencer a força de atrito é tarefa da força de propulsão, que deve ser grande o suficiente para mover o avião para frente, uma tarefa que caberá às hélices e turbinas do avião. Já para “competir” com a gravidade, entra a força de elevação, uma ação que será realizada nas asas da aeronave. “Quando o ar é ‘cortado’ pela asa, parte dele vai para cima da asa e o restante para baixo. Devido à geometria aerodinâmica da asa, há diminuição da pressão atmosférica em cima da asa em relação à pressão embaixo dela. É a maior pressão de baixo para cima, portanto, que supera a força da gravidade e que mantém o avião suspenso no ar”, elucida o docente.
A explicação física desse fenômeno é dada pelo Princípio de Bernoulli, que, entre outras coisas, afirma que quanto maior a velocidade de um fluido (o ar, neste caso) por uma superfície (a asa do avião), menor é a pressão que ele exerce sobre essa superfície. Por causa disso, a pressão pelo ar embaixo da asa é maior do que a exercida em cima dela.
Outra lei que explica a capacidade de voar do avião é a famosa 3ª lei de Newton, a Lei da Ação e Reação. Uma vez que a superfície curva das asas do avião joga o ar para baixo, ele reage sobre a asa e exerce uma força no sentido vertical sobre a mesma. “Esse princípio é o que permite, inclusive, que os pássaros voem. Eles empurram o ar para baixo e a reação do ar empurrado é exercer uma força sobre as asas dos pássaros”, explica Francisco. “Na realidade, a Ação e Reação acaba tendo papel tão importante quanto o Princípio de Bernoulli”.
Decolagens, aterrissagens e turbulências
Apertem os cintos, hora da decolagem! Agora, o avião fará movimentos para cima e para o lado. É quando os flaps, pequenas asas móveis que ficam na parte de trás das asas e da cauda do avião, entram em ação, e alteram a sustentação e o arrasto da aeronave, permitindo que ela se mova em direções diferentes, ou seja, para cima, para os lados e, inclusive, para baixo. “Um bom piloto deve saber movimentar bem os flaps, para que os movimentos desejados sejam feitos na hora correta”, acrescenta Francisco.
Feita a decolagem, o piloto fará com que o jato comercial atinja a altura máxima (também conhecida pela expressão “voo de cruzeiro”), geralmente, de 10 mil metros, e a velocidade máxima, em torno de 1.000 Km/h. Isso não é por acaso! Quando o avião ultrapassa essa altura, estará num local com menor pressão atmosférica e temperatura e, portanto, gastará menos combustível para manter a nave no ar. “Na altura de 10 mil metros, a força de atrito será menor e a injeção de combustível na turbina ou no motor do avião é menor, também. Por isso, essas altura e velocidade são as que a grande maioria das grandes aeronaves permanece”, acrescenta Francisco.
Chega, então, o momento em que o avião manterá velocidade e altura constantes (pelo menos essa é a impressão dos passageiros). Novamente, as forças físicas entram em ação para que a aparente tranquilidade do voo seja mantida. Para que isso ocorra, as forças de impulsão e de elevação devem superar a da gravidade, e a força das turbinas deverá ser maior do que aquela exercida pelo atrito do avião com o ar. “As forças que fazem o avião voar e se deslocar para frente devem ser iguais ou maiores que as forças que fazem os objetos cair e parar”, explica o docente.
Porém, quando ocorre o desequilíbrio entre as forças que atuam para que o avião esteja no ar é que entra em cena a famosa (e temida) turbulência. “Nesse momento, o avião perde momentamente a sustentação e as mudanças abruptas de sustentação fazem com que ele chacoalhe”, diz Francisco.
Por que o avião cai?
Com um bom piloto, dificilmente um avião cairá. Sabe-se que os mais graves acidentes de avião (quem não se lembra do Airbus da TAM que não conseguiu brecar ou da aeronave que caiu no Oceano Atlântico voando do Brasil para França) foram causados por uma sucessão de falhas humanas. Mesmo que uma das turbinas de uma aeronave pare de funcionar, isso não será o suficiente para derrubá-la. O que pode levá-la ao solo antes da hora, no entanto, é justamente que o equilibro entre as principais forças atuantes no avião (gravidade, atrito, propulsão e elevação) seja perdido. “A maior parte dos acidentes ocorre ou durante a decolagem ou durante a aterrissagem. Isso porque, nesses dois momentos, todas as quatro forças estarão em sua potência máxima, e todos os materiais dos quais é feito o avião terão que resistir à grande ação e impacto delas”, explica Francisco.
O voo dos foguetes
Pensar no funcionamento dos foguetes é mudar um pouco a trajetória da conversa. Isso porque estes se deslocam apenas no sentido vertical (e não também horizontal, como é o caso dos aviões). Portanto, a única força com que precisam lutar é praticamente a da gravidade.
Com isso em mente, e também se levando em conta que a altura que o foguete alcançará será muito maior do que a do avião, as turbinas do primeiro devem ter potência suficiente para superar uma altura na qual a força da gravidade nem exista mais. “O foguete precisa decolar numa velocidade específica; é preciso atingir a ‘velocidade de escape’, que poderá romper a ação da gravidade. São velocidades altíssimas, superiores à velocidade do som”, explica Francisco.
Enquanto nos aviões as turbinas são as responsáveis pelo impulso, nos foguetes serão os jatos, localizados em sua parte inferior. Nesse caso, nenhuma asa aerodinâmica está presente, uma vez que somente a força de impulso será necessária para colocá-lo no ar. Assim, os jatos, ao jogarem o ar para baixo, impulsionam o foguete para cima (Lei da Ação e Reação, novamente). “Essa é a principal força que age tanto no voo de foguetes, aviões e planadores, como também no voo dos pássaros e, inclusive, das pipas”, diz Francisco.
No geral, a aerodinâmica é a ciência estuda o movimento dos objetos no ar e explica todos esses fenômenos e dá respostas para que tudo isso funcione da melhor maneira possível. “Ela é a ciência que tende a minimizar os efeitos das forças de atrito e arraste. Não é qualquer formato de asa que permite o voo de um objeto ou que minimiza os atritos com ar. Quando um corpo se move num fluido, ele ‘rasga’ esse fluido e empurra o ar para o lado, que é quando este, por sua vez, reage e acaba impulsionando o corpo ou objeto para trás”, explica Francisco.
Nesse cenário governado por leis da física, não seria preciso dizer que o papel do próprio físico e dos engenheiros para a evolução e constante melhoramento de aeronaves é de suma importância. Já existe um grande conhecimento sobre (praticamente) todos os princípios que governam das mais simples às mais complexas aeronaves. Portanto, os estudos atuais que mais ganham destaque nesse contexto é o de desenvolvimento de novos materiais. “No próprio IFSC, muitos pesquisadores realizam estudos para entender, conhecer melhor e, inclusive, desenvolver novas propriedades de diversos materiais que sejam mais leves e resistentes do que os atualmente utilizados, inclusive, para construção de diversas aeronaves”, conta o docente. “Para se fazer a ‘carcaça’ de novos aviões, por exemplo, a fibra de carbono é um dos materiais candidatos, além de ligas leves alumínio ou diferentes tipos de polímeros”.
Com diversas pesquisas caminhando nesse sentido, esse fato só vem reforçar que, de fato, o céu não é o limite, mas a física pode ser, caso os estudiosos (ou até mesmo os pilotos das aeronaves) não a conheçam bem. Um melhor entendimento sobre seus princípios, no entanto, possibilitará voos muito altos, inclusive intelectualmente.
Assessoria de Comunicação
