unidade 1 - estrutura e tipos de aeronaves - santos dumont
unidade 1 - estrutura e tipos de aeronaves
jorge luciano g. de souza | comentários
Arquivado no curso de Ciências Aeronáuticas na UNISUL
Conhecer a evolução histórica das aeronaves. Conceituar e classificar as aeronaves.
Identificar as principais partes do avião.
Compreender o funcionamento dos controles de voo.
Seção 1Pequena história da evolução das aeronaves Seção 2Conceituação e classificação Seção 3A teoria de voo Seção 4A estrutura do avião Seção 5Os controles de voo
UNIDADE 1 Estrutura e tipos de aeronaves
Desde sempre o homem sonha com a máquina, um aparelho que realizasse o maior número de tarefas com a maior eficiência. Contudo, somente a partir do século XVIII, quando James Watt criou a máquina a vapor começaram-se a ver frutos. Esse foi o início de um período conhecido como revolução industrial, que introduziu, em massa, o conceito de máquina.
Precisamos de máquinas para tudo, para conservar alimentos, para cozinhar, para nos divertir, para nos informar, para nos deslocar, para comunicarmos, máquinas que nos salvam a vida, outras que a prolongam, enfim, que tornam a vida mais fácil. Se elas existem é por nossa "culpa", ou seja, a máquina pode ser capaz de realizar processos que o homem não consegue, porém, não tem o poder de controlar as coisas, ou seja, será sempre o homem a decidir se ela terá boa ou má utilidade, bom ou mau desempenho, se será usada de forma segura ou perigosa.
Para isso, é necessário desenvolver nosso conhecimento sobre cada máquina que necessitarmos utilizar. Quem já não viu alguém ligar um aparelho 110v em uma tomada 220v? Erros simples assim, que inutilizam uma máquina e põem em risco quem a opera, podem ser evitados com um simples cuidado de conhecer a máquina antes de usá-la. As aeronaves são máquinas maravilhosas e serão úteis, eficientes, confortáveis e seguras se nós soubermos controlar corretamente sua operação.
Nesta unidade, você conhecerá o surgimento e o desenvolvimento desta máquina e sua estrutura básica, os conceitos que fundamentam seu funcionamento e os seus controles de voo.
19 Conhecimento Geral das Aeronaves (Asas Fixas)
Seção 1 – Pequena história da evolução das aeronaves
A história da aviação é muito mais complexa e fascinante do que a geralmente é encontrada nos livros didáticos. Nesta seção, será contada um pouco dessa história, mostrando fatos interessantes e até pouco conhecidos. A evolução técnica e o desenvolvimento das aeronaves será nossa linha de referência neste estudo, isso para que possamos contextualizar e entender a construção e o funcionamento dos aviões modernos.
Ao contrário do que é geralmente ensinado, Alberto Santos Dumont não "inventou" o avião. Apesar da significativa contribuição do inventor brasileiro e do mérito de ter sido o primeiro a fazer um voo controlado e motorizado na Europa, o avião é, na verdade, o resultado de um desenvolvimento que se estendeu por séculos e que começou muito antes dele. Desde os tempos pré-históricos, os seres humanos têm invejado o voo dos pássaros e desejavam imitá-los.
A identidade do primeiro "homem-pássaro", que se instalou com asas e pulou de um penhasco em um esforço para voar, é perdida no tempo, mas cada tentativa infrutífera forneceu àqueles que desejavam voar perguntas que necessitavam de respostas. Filósofos, cientistas e inventores ofereceram soluções, mas ninguém conseguiu incorporar as asas ao corpo humano e voar como um pássaro.
Mesmo assim, durante esse período, conseguimos respostas importantes. Aristóteles concebeu a noção de que o ar tem peso e a lei de Arquimedes de corpos flutuantes formou um princípio básico dos veículos mais leves que o ar. Homens como Galileu, Roger Bacon e Pascal provaram que o ar é um gás, é compressível, e sua densidade diminui com a altitude.
Universidade do Sul de Santa Catarina Figura 1.1 – Estudo da estrutura da asa – 1490
Fonte: Sedivy, Highlands Ranch High School, 2011.
Durante o Século XV, Leonardo da Vinci elaborou esboços de propostas de máquinas voadoras, fruto, sobretudo, da observação do voo das aves. Foram os primeiros estudos relativamente técnicos sobre as possibilidades do voo por seres humanos. Da Vinci corretamente concluiu que era o movimento da asa em relação ao ar que produzia a reação resultante necessária para voar. No entanto, suas especulações foram falhas porque ele se ateve à ideia das asas móveis como a dos pássaros, para impulsionar o homem ao voo.
Figura 1.2 – Asas de Da Vinci
Fonte: Now Public, 2011.
21 Conhecimento Geral das Aeronaves (Asas Fixas)
Porque o conceito de asa móvel de Da Vinci foi um erro?
Em 1655, o matemático, físico e inventor, Robert Hooke, concluiu que o corpo humano não possui a força necessária para usar asas artificiais. Ele acreditava que o voo humano exigiria algum tipo de propulsão artificial. Não seria então com a força física dos homens usando as asas móveis para impulsão que conseguiríamos alçar voo (HOOKE, 1655).
A busca pelo voo levou alguns profissionais em outra direção. Em 1670, o padre Jesuíta Francesco de Lana publicou o primeiro estudo sobre a construção de um "barco aéreo", que se elevaria no ar por meio de esferas metálicas com vácuo no seu interior. Em 1709, Bartolomeu de Gusmão, também Jesuíta, apresentou ideia semelhante ao rei de Portugal, só que utilizando o princípio do ar quente. Existem inúmeros outros relatos de supostas experiências com balões, mas o crédito pela efetiva criação deles pertence aos irmãos Montgolfier.
No início de novembro de 1782, Joseph Michel e Jacques Etienne Montgolfier, fabricaram um balão esférico, de seda, com cerca de 1 metro de diâmetro, o qual subiu a cerca de 30 metros de altura, antes de esfriar e cair. Esse evento é considerado como o nascimento do balão de ar quente. Em 1783, o primeiro balão de ar quente tripulado voou por 23 minutos. A partir desse evento e durante certo tempo, o balão serviu apenas como curiosidade e diversão, principalmente porque, após decolar, o aparelho ficava à mercê dos ventos e raramente ia para onde o seu dono desejava. A questão já não era mais subir, mas controlar a direção e a velocidade do voo (BELLIS, 2012).
O problema da dirigibilidade só veio a ser solucionado cem anos depois, quando em 1898 o brasileiro Alberto Santos-Dumont construiu o primeiro balão semirrígido, em forma de charuto e com motor à gasolina. Esse tipo de balão, posteriormente conhecido como "dirigível", tinha forma mais aerodinâmica que
Universidade do Sul de Santa Catarina seus antepassados redondos e era inflado com Hidrogênio, um gás bem mais leve que o ar, mas perigosamente volátil.
Em 19 de Outubro de 1901, com seu dirigível n° 6, Santos- Dumont conquistou o "Prêmio Deutsch", oferecido àquele que provasse a dirigibilidade dos balões, decolando de um ponto previamente escolhido (Saint-Cloud) na cidade de Paris, contornando a Torre Eiffel e retornando ao ponto de partida (AÉROCLUB DE FRANCE, 1904).
Figura 1.3 – Dirigível
Fonte: Cabangu, 2011.
Dirigibilidade – O uso de um grupo moto-propulsor leve, em conjunto com a alteração para o formato de "charuto", foi a solução encontrada por Santos Dumont para obter o Dirigível.
O mais pesado que o ar
Mesmo com a realidade do voo na forma de um deslocamento controlado pelo ar, os dirigíveis não satisfizeram aqueles entusiastas que ainda preferiam trabalhar na velha ideia de Leonardo da Vinci: voar com asas como os pássaros.
23 Conhecimento Geral das Aeronaves (Asas Fixas)
A solução para isso estava num brinquedo bastante familiar no Oriente, por mais de 2000 anos, mas que só foi introduzido no Ocidente no século 13: a pipa. Utilizada pelos chineses para observação aérea, para testar os ventos, como um dispositivo de sinalização ou como um brinquedo, ela trazia muitas das respostas ao desenvolvimento de um dispositivo de voo mais pesado que o ar.
Sir George Cayley, um inglês nascido 10 anos antes do voo de balão dos Mongolfier, acreditava que o estudo das pipas desvendaria os segredos do voo. Ele passou seus 84 anos tentando desenvolver um veículo mais pesado que o ar, suportado por asas em forma de pipa (GIBBS-SMITH, 1962).
Cayley foi o primeiro a teorizar os princípios do voo, tais como a força de sustentação, peso e arrasto aerodinâmico, conceitos válidos até hoje. Contrariamente aos seus contemporâneos, Cayley dispensou o "batimento de asas" como fundamento para alçar voo, concentrando-se na necessidade de se possuir uma superfície aerodinâmica geradora de sustentação (asa) e uma fonte de força impulsora (motor). Baseado nesses princípios, em 1799 ele desenhou seu primeiro modelo de aeroplano, que não chegou a construir dada a inexistência de motores àquela época.
Figura 1.4 – Planador de George Cayley – 1853
Fonte: Century of flight, 2011.
Ponto-chave – Sir George Cayley foi o primeiro a teorizar os conceitos de peso, sustentação, tração e arrasto, válidos até hoje.
Assim, Cayley se concentrou nos planadores. Em 1853, pouco antes de morrer, construiu o mais bem-sucedido de seus planadores, tendo convencido seu cocheiro a pilotá-lo. Na verdade, o homem foi mais um passageiro do que um piloto, mas é considerado como a primeira pessoa a voar em um aparelho mais pesado que o ar.
O sucesso de Cayley estimulou outros pesquisadores, entre os quais o alemão Otto Lilienthal. Concentrando-se igualmente nos planadores, Lilienthal desenvolveu várias configurações diferentes. Na maioria delas, o piloto voava pendurado debaixo do aparelho, tal como em uma asa-delta atualmente. Essa configuração ajudava a resolver um dos grandes problemas dos aparelhos da época: a estabilidade.
Embora constem experimentos em praticamente todo o mundo, buscando a realização prática do voo aeródino motorizado, os mais importantes foram creditados aos irmãos americanos Orville e Wilbur Wright e ao brasileiro radicado na França, Alberto Santos Dumont.
Como vimos até agora, o problema do voo do mais pesado que o ar já estava praticamente solucionado no final do Século XIX, faltando apenas um motor adequado para transformá-lo num avião de verdade. O sonho de um voo autônomo motorizado estava próximo.
A invenção do motor à gasolina e o início da produção de automóveis pela Daimler-Benz, em 1886, utilizando este tipo de motor, fez com que as atenções de muitos dos pioneiros se voltassem para ele. Na época, a principal vantagem do motor à gasolina sobre os motores a vapor era a relação peso-potência.
25 Conhecimento Geral das Aeronaves (Asas Fixas)
Um dos primeiros a compreender as vantagens do motor à gasolina na aviação foi Santos Dumont, que passou a utilizar motores de motocicleta e de automóveis nos seus dirigíveis. O passo seguinte foi partir para a construção de um aeroplano.
Para isso, Santos Dumont baseou-se no desenho de pipas-caixa, conhecidas como "pipas de Hargreave" (devido ao seu inventor, o australiano Lawrence Hargrave) e construiu uma asa constituída basicamente de seis pipas-caixa, sendo três de cada lado. Como fuselagem (corpo do avião), aproveitou a quilha do seu dirigível N°14 (daí o nome "14-bis") e instalou um motor Levavasseur,de 8 cilindros e 50HP. Uma estrutura adicional prolongava a fuselagem até a pipa-caixa dianteira, que atuava como leme de direção e de profundidade (controle de altitude). Como o aparelho tinha as asas principais na parte posterior e a asa secundária (estabilizador-leme) na parte da frente, os franceses passaram a chamá-lo de "canard" (pato).
Em 23 de outubro de 1906, Alberto Santos Dumont tornou o sonho realidade. Ao decolar abordo do 14 bis, impulsionado por um motor à gasolina, ele voou naquele dia e repetiu a façanha menos de um mês depois,diante de uma multidão que compareceu ao Campo de Bagatelle, em Paris. Esses dois voos foram as primeiras demonstrações públicas de um aparelho mais pesado que o ar, levantando voo por seus próprios meios, sem a necessidade de uma rampa de lançamento.
Figura 1.5 – 14 Bis
Fonte: HSW, 2011.
Motor Levavasseur – Leon Levavasseur foi oficial da marinha francesa e engenheiro dedicado ao desenvolvimento do motor à gasolina. Foi o primeiro a utilizar e patentear a configuração V8 na construção dos motores a combustão interna.
O Século do Voo
A partir das experiências bem-sucedidas dos pioneiros, como Santos Dumont e os Irmãos Wright, o desenvolvimento do avião deslanchou de modo surpreendente. Desde a sua efetiva criação, o avião passou por vários períodos de "amadurecimento", em que suas características mais importantes foram sendo definidas. Podemos identificar esses principais períodos como sendo:
De 1903-6 a 1914: Nascimento do avião e consolidação dos princípios construtivos e operacionais. Até essa época, a maioria dos aviões eram biplanos (duas asas sobrepostas) e construídos de madeira e lona. Até o início da Primeira Guerra, os aviões ainda eram muito imprevisíveis e inseguros, restringindo-se a meras curiosidades.
De 1914 a 1918: Primeira Guerra Mundial. Os aviões se desenvolveram rapidamente e foram criadas aplicações especializadas como caças, bombardeiros, aviões de observação e de transporte. A maioria deles ainda continuava sendo de madeira e lona, embora alguns modelos já empregassem o metal (alumínio) na fabricação de algumas peças.
Década de 20 e 30: Com a paz, houve um grande ímpeto na aviação comercial. Foi nessa época que teve início o correio aéreo, a primeira atividade econômicosocial a se beneficiar do surgimento da aviação.
De 1935 a 1945: Período iniciado com a ascensão da Alemanha Nazista, seguido da Segunda Guerra Mundial. Guardadas as proporções (apenas 10 anos), foi o período de maior desenvolvimento do avião, como o conhecemos hoje, evoluindo dos biplanos movidos à hélice para o avião a jato, com asa de geometria variável. Muita da tecnologia desenvolvida nessa época é utilizada até os dias de hoje.
Pós-Guerra: Após a Segunda Guerra, como seria de se esperar, houve novo "boom" da aviação comercial, favorecida agora por inovações como o "Comet", primeiro avião a jato para transporte de passageiros, que começou a operar em 1952 e o Boeing 707, em
27 Conhecimento Geral das Aeronaves (Asas Fixas)
1954, primeiro dos grandes jatos como temos hoje. Nos últimos 50 anos, o desenvolvimento da aviação comercial tem se limitado ao desenvolvimento de novas tecnologias de construção, tais como materiais mais leves e seguros, motores mais econômicos e menos poluentes e na incorporação dos avanços da eletrônica digital, principalmente nos sistemas de voo e navegação.
Seção 2 – Conceituação e classificação
Para início de conversa, você saberia definir o que é uma aeronave? Antes que possamos classificá-las, necessitamos conceituar o que é esta máquina considerada aeronave.
De acordo com o Novo Dicionário Aurélio da Língua Portuguesa, aeronave nada mais é que uma "Designação genérica dos aparelhos por meio dos quais se navega no ar". Mas de modo geral, elas são definidas como "todo aparelho capaz de se sustentar e navegar no ar" (HOMA, 2010).
A definição mais completa, no entanto, é a encontrada no Código Brasileiro de Aeronáutica, editado pela Lei n. 7.565, de 19 de Dezembro de 1986, em seu artigo 106.