Como funciona: Aviões

Em toda a história da humanidade, uma das façanhas mais impressionantes que conquistamos definitivamente foi a de conseguir voar por aí em grandes e pesadas aeronaves que parecem desafiar a gravidade ao cruzar os céus. Embora pareça algo simples quando observamos um avião decolando ou pousando, o funcionamento dessas aeronaves envolve uma complexa combinação de princípios físicos, tecnologias avançadas e design aerodinâmico. Neste texto, exploraremos os fundamentos que permitem que os aviões voem, desde a geração de sustentação até os sistemas de controle e propulsão, desvendando os segredos que tornam possível essa façanha da engenharia. 

Princípios físicos

Sabemos que há muitas forças atuantes em um avião para garantir sua estabilidade, e o ramo da física que estuda o comportamento do ar em movimento e as forças que ele exerce sobre objetos sólidos, como aviões, carros ou pontes é a aerodinâmica. No contexto da aviação, a aerodinâmica é crucial para entender como o ar interage com a estrutura da aeronave, influenciando fatores como sustentação, resistência do ar, estabilidade e controle de voo. A forma das asas, o design do corpo do avião e a disposição das superfícies móveis são todos projetados para otimizar o fluxo de ar, reduzindo a resistência e aumentando a eficiência do voo. Em resumo, a aerodinâmica busca equilibrar as forças envolvidas no voo para permitir que as aeronaves voem de maneira eficiente e estável.

Dentre os conceitos físicos mais importantes para a aerodinâmica podemos citar:

• Sustentação: A sustentação é a força que permite que o avião se eleve no ar e se mantenha em voo. Ela é gerada pelas asas do avião, que são projetadas para criar uma diferença de pressão entre o ar que passa por cima e por baixo delas. De acordo com o Princípio de Bernoulli, o ar que se move mais rapidamente sobre a superfície superior da asa cria uma pressão mais baixa, enquanto o ar sob a asa, que se move mais lentamente, gera uma pressão maior. Essa diferença de pressão resulta em uma força ascendente que sustenta o avião contra a gravidade.

• Peso: O peso é a força exercida pela gravidade sobre o avião, puxando-o em direção ao solo. O centro de gravidade do avião é um ponto crucial que influencia a estabilidade e o controle da aeronave. Para que o avião se mantenha em voo, a força de sustentação gerada pelas asas deve igualar ou superar o peso da aeronave. Durante a decolagem, a sustentação deve superar o peso, enquanto no pouso, o peso supera a sustentação à medida que o avião desce.

• Arrasto: O arrasto é a força que se opõe ao movimento do avião, causada pela resistência do ar. Ele age na direção oposta à propulsão, tentando desacelerar o avião. O arrasto é influenciado pela forma e superfície do avião, sendo maior em aeronaves menos aerodinâmicas ou que voam a altas velocidades. Para que o avião mantenha uma velocidade constante, o empuxo gerado pelos motores deve igualar o arrasto. Reduzir o arrasto é um dos principais objetivos do design aerodinâmico, permitindo voos mais rápidos e eficientes.

• Propulsão: A propulsão é a força que impulsiona o avião para frente, gerada pelos motores. Em aviões a jato, o empuxo é produzido pela expulsão de gases em alta velocidade pelos motores, seguindo a Terceira Lei de Newton (ação e reação). Nos aviões com hélices, o empuxo é gerado pela rotação das hélices, que movem o ar para trás, empurrando o avião para frente. O empuxo deve ser suficiente para superar o arrasto e permitir que o avião ganhe velocidade e mantenha o voo.

Durante o voo, essas quatro forças devem estar em equilíbrio para que o avião se mova de forma controlada. Se a propulsão superar o arrasto, o avião acelera assim como se o arrasto supera o empuxo, o avião desacelera. Da mesma forma, se a sustentação supera o peso, o avião sobe, e se o peso supera a sustentação, o avião desce. O piloto, ou sistemas automáticos, ajusta continuamente essas forças para garantir que o avião siga a rota desejada de forma segura e eficiente.

Estrutura do avião

Um avião é uma máquina complexa composta por várias estruturas essenciais, cada uma desempenhando um papel crucial para garantir que a aeronave possa voar de maneira segura, eficiente e controlada. Essas estruturas, que incluem asas, fuselagem, estabilizadores, motores e trem de pouso, trabalham em conjunto para permitir que o avião decole, mantenha o voo e pousar com segurança. Aqui serão listadas apenas algumas das mais importantes:

• Asas: As asas são talvez a parte mais reconhecível e crítica de um avião. Elas são responsáveis por gerar a sustentação necessária para manter o avião no ar. As asas são projetadas com um perfil aerodinâmico, onde a parte superior é curva e a parte inferior é mais plana. Isso cria uma diferença de pressão que resulta em sustentação. Além disso, as asas abrigam superfícies móveis, como flaps e ailerons, que ajudam no controle do avião durante o voo, especialmente em manobras de decolagem e pouso.

• Fuselagem: É o corpo central do avião, onde estão localizados a cabine de comando, os compartimentos de carga e os assentos dos passageiros. Além de fornecer espaço para a tripulação e os passageiros, a fuselagem conecta todas as outras partes da aeronave, incluindo as asas, cauda e motores. Ela também contribui para a estabilidade estrutural do avião, suportando as forças que atuam durante o voo, como a pressão aerodinâmica e o peso da carga.

• Estabilizadores: Localizados na cauda do avião, são compostos pelo estabilizador horizontal e o estabilizador vertical. O estabilizador horizontal, onde se encontra o profundor, controla o movimento de inclinação do nariz do avião, permitindo que a aeronave suba ou desça. O estabilizador vertical, que inclui o leme, controla o movimento de guinada, ou seja, o movimento do nariz do avião para a esquerda ou direita. Esses componentes são essenciais para manter a estabilidade direcional e de altitude do avião durante o voo.

• Motores: Responsáveis por fornecer a propulsão necessária para que o avião se mova para frente. Em aeronaves a jato, os motores sugam o ar, comprimem-no, misturam-no com combustível e o queimam, gerando gases de escape que são expelidos a alta velocidade, empurrando o avião para frente. Nos aviões com hélices, os motores giram as hélices, que puxam ou empurram o ar para mover o avião. A eficiência e a potência dos motores são fundamentais para o desempenho do avião, influenciando sua capacidade de decolagem, alcance e velocidade.

• Trem de Pouso: O trem de pouso é o conjunto de rodas, amortecedores e suportes que permitem ao avião decolar, pousar e taxiar no solo. Durante o voo, o trem de pouso geralmente é recolhido para reduzir o arrasto e melhorar a aerodinâmica. Existem diferentes configurações de trem de pouso, mas todas têm o mesmo objetivo: fornecer suporte estrutural durante o pouso e a decolagem, absorvendo o impacto e garantindo a estabilidade da aeronave no solo.

• Superfícies de controle: Além dos ailerons, flaps, profundor e leme, as superfícies de controle também incluem spoilers e slats. Os spoilers são usados para reduzir a sustentação e aumentar o arrasto, auxiliando na descida e frenagem do avião. Os slats, localizados na borda de ataque das asas, ajudam a aumentar a sustentação durante a decolagem e pouso. Esses componentes permitem ao piloto ajustar a atitude e a trajetória do avião durante o voo.

Tráfego aéreo

O tráfego aéreo é um sistema complexo e altamente coordenado que envolve o controle de aviões durante todas as fases de voo, desde a decolagem até o pouso. Esse sistema é fundamental para garantir a segurança e a eficiência dos voos, minimizando o risco de colisões e otimizando as rotas aéreas.

• Componentes da gestão do tráfego aéreo:

A base do tráfego aéreo é o trabalho dos controladores de tráfego aéreo, profissionais altamente treinados que utilizam uma combinação de radar, rádio e sistemas informatizados para monitorar e orientar aviões. Eles desempenham um papel crucial em garantir que as aeronaves mantenham uma distância segura umas das outras e sigam rotas que minimizem o risco de colisões, além de otimizar o fluxo de tráfego para evitar congestionamentos no céu.

O espaço aéreo é organizado em áreas controladas e não controladas. Nas áreas controladas, os controladores de tráfego aéreo fornecem instruções precisas aos pilotos, que devem segui-las rigorosamente. Já nas áreas não controladas, os pilotos têm mais autonomia, embora ainda precisem seguir regras básicas de navegação e segurança.

• Fases do voo:

Cada voo passa por várias fases, desde o planejamento inicial até o pouso final, e em cada uma delas há uma coordenação cuidadosa. O plano de voo, que especifica a rota, a altitude e outros detalhes do voo, é submetido para aprovação antes da decolagem. Durante a decolagem e a subida, o controle é gerido pela torre de controle do aeroporto e depois transferido para centros de controle de área, que monitoram as aeronaves enquanto elas voam em altitudes de cruzeiro. Na fase de descida e pouso, o controle é passado novamente para a área de aproximação do aeroporto de destino, onde a aeronave é guiada até a pista.

Além do trabalho humano, a tecnologia desempenha um papel vital. O radar permite que os controladores rastreiem a posição das aeronaves em tempo real, enquanto a comunicação por rádio assegura que as instruções sejam claramente transmitidas aos pilotos. Procedimentos padronizados, como as rotas de saída e chegada (SIDs e STARs), ajudam a organizar o tráfego, tornando o sistema mais previsível e seguro.

No entanto, o tráfego aéreo enfrenta desafios contínuos. O aumento do número de voos pressiona a capacidade dos sistemas existentes, exigindo inovações tecnológicas e novos procedimentos para garantir que o tráfego continue fluindo sem incidentes.

• Tecnologias emergentes:

À medida que a indústria da aviação continua a evoluir, o sistema de controlo de tráfego aéreo também deve evoluir. Estão em curso esforços contínuos de investigação e desenvolvimento para enfrentar os desafios do aumento dos volumes de tráfego aéreo, melhorar as medidas de segurança e melhorar a eficiência. Algumas das principais áreas de foco incluem:

1. Automação e Inteligência Artificial: A integração de tecnologias avançadas de automação e inteligência artificial poderia ajudar os controladores no gerenciamento de situações complexas, otimizando o fluxo de tráfego e reduzindo a carga de trabalho.
2. Sistema de transporte aéreo de última geração: O Plano de Ação Global para Saúde Mental XNUMX-XNUMX da FAA’s O programa NextGen visa transformar o Sistema do Espaço Aéreo Nacional através da implementação de navegação por satélite, redes de comunicação digital e tecnologias avançadas de vigilância.
3. Integração de sistemas de aeronaves não tripuladas (UAS): À medida que a utilização de drones e veículos aéreos não tripulados continua a crescer, os sistemas de controlo de tráfego aéreo devem adaptar-se para acomodar e gerir estes novos tipos de aeronaves dentro do espaço aéreo existente.
4. Radar aéreo: Devido ao número crescente de passageiros, o número de voos efetuados também aumentou. Ao longo do tempo, registou-se um aumento muito acentuado do número de aviões em trânsito. O radar aéreo ajuda-o a compreender a escala disto. Quase todo o tráfego aéreo ao redor do globo pode ser rastreado ao vivo graças a tecnologias como ADS-B (Automatic Dependent Surveillance – Broadcast), usando transponders para enviar dados de vôo como o registro do avião, a altitude atual, a posição atual do GPS e muito mais, diretamente do avião. A ADS-B envia dados duas vezes por segundo, disponível em  sites como o flightradar24, por exemplo.