Aerodinâmica: o que é e como funciona (com exemplos)

Ana Lucia Souto

Professora de Física e Ciências

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Aerodinâmica é o ramo da Física que estuda o comportamento dos corpos em movimento dentro de um fluido gasoso — no nosso caso, o ar. Ela analisa como as características do ar e do corpo afetam as forças que surgem durante esse movimento.

Essa área é fundamental para entender o funcionamento de aviões, foguetes, carros de corrida e até o voo das aves. Sempre que algo se move no ar, mesmo que devagar, a aerodinâmica está presente.

Um corpo em movimento no ar está sujeito à quatro forças: a força de tração do motor, a força peso e outras duas forças classificadas como forças aerodinâmicas, a força de arrasto e a força de sustentação.

As forças aerodinâmicas estão sempre presentes na Terra, pois nosso planeta possui uma atmosfera. Assim, mesmo em atividades cotidianas como caminhar ou andar de bicicleta, essas forças existem, embora, na maioria das vezes, sejam tão pequenas que podem ser desprezadas.

No entanto, há situações em que essas forças não podem ser ignoradas, já que a resistência do ar e as características do corpo em movimento passam a influenciar diretamente seu deslocamento. É o caso de aviões, foguetes, balões, helicópteros, entre outros.

Neste conteúdo você encontra:

• Como funciona a aerodinâmica

  • Força de arrasto
  • Força de sustentação
  • Força aerodinâmica resultante
• Aplicações da aerodinâmica

Como funciona a aerodinâmica

As duas forças aerodinâmicas dependem da forma, tamanho e velocidade do corpo, e das características do ar onde o corpo se movimenta. Entre as características do ar que influenciam o movimento temos a pressão, densidade e viscosidade, note que essas características do ar são dependentes da altitude e da temperatura.

As duas forças aerodinâmicas são a força de sustentação e força de arrasto.

Força de arrasto ()

A força de arrasto é uma força que resiste ao avanço do corpo. Ela atua na mesma direção do movimento, mas em sentido oposto — por isso, é considerada uma força de resistência.

Podemos compará-la ao atrito do ar sobre o corpo em movimento. Na verdade, ela é resultado do cisalhamento (corte) das camadas de ar, pois o corpo precisa "abrir caminho" para se mover, já que dois corpos não podem ocupar o mesmo espaço ao mesmo tempo.

A fórmula da força de arrasto é:

onde

• ρ é a densidade do ar;
• A é a área transversal do corpo, relacionada ao ângulo de ataque do corpo no ar;
• v é a velocidade do corpo; e
• C_a é o coeficiente de arrasto, uma grandeza adimensional que depende da geometria do corpo e das características do fluido.

Na tabela abaixo mostramos o coeficiente de arrasto de alguns corpos que se deslocam para comparação da aerodinâmica dos mesmos, considerando que todos se deslocam no ar com a mesma velocidade .

Observe que, pela fórmula, quanto maior for o coeficiente de arrasto, maior será a força de arrasto, pois são grandezas diretamente proporcionais.

Pela tabela vemos que quanto mais aerodinâmico for o corpo, menor será o valor do coeficiente de arrasto e, consequentemente, a força de arrasto.

Na figura abaixo mostramos a influência da área transversal do corpo na força de arrasto.

Atente que a área transversal usada nos estudos aerodinâmicos não se refere apenas ao corpo, mas se relaciona com o ângulo de ataque do corpo no ar.

Os círculos amarelos mostram a variação da área transversal do corpo em três ângulos diferentes. A mesma pode ser encontrada inserindo o avião em um cilindro e, nesse caso, ela será igual à base do cilindro.

Pela figura e pela fórmula vemos que quanto maior essa área, maior será a força de arrasto. Isso porque as duas grandezas são diretamente proporcionais.

Força de sustentação ()

A força de sustentação atua perpendicularmente à direção do movimento e é a principal responsável por contrabalancear o peso do corpo.

Dependendo da relação entre a força de sustentação e o peso, temos três cenários:

1. nesse caso o corpo possui uma trajetória ascendente, ou seja, ele sobe.
2. nesse caso o corpo possui possui uma trajetória descendente, ou seja, o corpo desce.
3. nesse caso o corpo não sobe e nem desce, ele descreve uma trajetória paralela ao solo ou horizontal.

A fórmula da força de sustentação é:

onde

• ρ é a densidade do ar;
• S é a área da superfície da asa;
• v é a velocidade do corpo; e
• C_L é o coeficiente de sustentação, uma grandeza adimensional que depende da geometria do corpo e das características do fluido.

O coeficiente de sustentação não possui uma tabela para diferentes formatos de asa; mas possui uma tabela e um gráfico que mostram sua variação com o ângulo de ataque.

Observe que o coeficiente de sustentação aumenta até um ângulo de ataque de aproximadamente 15 graus, e depois começa a diminuir. Isso acontece porque ao empinar o bico do aviação a superfície da asa que interfere na sustentação diminui.

A mesma coisa pode ser observada no gráfico. Sendo que o gráfico traz ainda o ponto de estol, que acontece quando o coeficiente de sustentação diminui para zero e o avião despenca de ré em queda livre.

Os pilotos de aviões alteram a intensidade da força de sustentação durante o voo para subir na decolagem, descer na aterrizagem ou seguir a viagem mantendo a altitude determinada através da exposição e angulação do flap, que interferem diretamente na área da asa e no ângulo de ataque. E o ângulo de ataque interfere por sua vez no coeficiente de sustentação.

Força aerodinâmica resultante

Na figura abaixo mostramos as forças de sustentação, de arrasto e a força aerodinâmica resultante.

As forças aerodinâmicas de sustentação e de arrasto terão sempre as mesmas direções, respectivamente, vertical e paralela à velocidade do corpo.

Mas suas intensidades dependem da velocidade e da forma do corpo, do ângulo de ataque do corpo no ar (medido pela área transversal) e da densidade e viscosidade do ar.

Aplicações da aerodinâmica

No início do século XX, o avanço da aviação, tanto comercial quanto militar, impulsionou o desenvolvimento da aerodinâmica e permitiu projetar aeronaves mais eficientes e seguras.

Mas a aerodinâmica vai muito além dos aviões. Ela também é essencial no design de carros esportivos e de corrida, como os da Fórmula 1, pois tanto a força de arrasto quanto a de sustentação aumentam com o quadrado da velocidade.

As principais inspirações para esses estudos são as aves, que possuem corpos naturalmente aerodinâmicos: bicos finos para cortar o ar, asas que mudam de forma e tamanho, e um domínio extraordinário da arte de voar.

A imagem abaixo ilustra algumas técnicas de voo utilizadas pelas aves:

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Ana Lucia Souto

Professora de Ciências e de Física da Educação Básica e do Ensino Superior, tendo iniciado a docência em 1990. Bacharel em Física, Mestre e Doutora em Biofísica e PhD em Biologia Estrutura - Universidade de São Paulo, USP.