A Ciência da Mecânica
14/ Ano II
Washington Braga, Professor Associado
Departamento de Engenharia Mecânica - PUC - Rio
Título: Formação dos Vórtices de Pontas de Asa
Olá, estamos de volta com mais uma coluna sobre Ciência. Mês passado comecei
uma análise sobre como o avião se sustenta no ar. Este mês, vamos ver como a diferença
de pressões entre o lado inferior (maior) e o lado superior (menor) promove o
aparecimento dos vórtices de pontas de asa. Vamos começar visualizando os mesmos,
ok? Veja a figura:
A figura mostra um avião pulverizando a lavoura. Observe o que ocorre próximo
às asas. Podemos ver claramente que há escape do insetida em toda a extensão delas mas
é nas pontas das asas que a fumaça se concentra.
Este mês nós iremos estudar este
efeito.
Podemos, por hipótese, considerar que no avião não haja nenhum sistema
mecânico capaz de justificar ou explicar tal concentração, até por que pelas necessidades
da pulverização do inseticida, a fumaça deveria estar distribuída uniformemente.
Razoável isto? Assim, podemos concluir que os dois rolos de fumaça, um de cada lado
do avião, são resultantes do próprio escoamento do ar e não do sistema de distribuição da
fumaça, que pode ser vista apenas como o mecanismo de visualização do ar escoando.
Para entender o que acontece, vamos lembrar que na coluna passada, discutimos a
existência de um diferencial de pressão que existe em cada uma das asas. Ainda que este
diferencial não seja suficiente para equilibrar o peso do avião, fato é que a pressão
embaixo é superior à pressão acima da asa. Se tivéssemos uma asa infinita, poderíamos
desprezar os efeitos das bordas laterais da asa e teríamos uma pressão constante na parte
de baixo e uma outra também constante na parte de cima. Porém, como a asa é finita
(isto é, tem uma determinada extensão), os efeitos da ponta da asa aparecem e complicam
o escoamento. Como a asa eventualmente acaba, a diferença de pressões entre os dois
lados (superior e inferior), que pode ser grande longe das pontas, irá gradualmente
diminuindo à medida que se caminha na direção das mesmas, se anulando lá.
Resumindo: como a pressão de cada lado da asa não é constante, como discutido
acima, temos dois escoamentos lateriais, um sobre a asa (região da sucção) e outro
embaixo dela (região de pressão). Isto é, temos um escoamento lateral sobre a maior
parte da superfície da asa, que é dirigido para fora (na direção da ponta) na parte de baixo
e na direção do centro na parte de cima. Veja as figuras abaixo.
Nas pontas, resultado da maior pressão do ar na parte de baixo pela extensão da
asa, temos um escoamento da parte de baixo para a parte de cima nas pontas. Lembrando
também que a asa (o avião) tem velocidade, o ar é arrastado, deixando a asa enrolado,
formando vórtices distintos, um em cada asa, como mostrado acima. O resultado final
pode também ser visto na figura abaixo:
Os dois vórtices de pontas de asa tem mesma intensidade mas giram em sentidos opostos,
como deve ser entendido:
Desta forma, um vórtice interfere no outro, fazendo com que o escoamento do ar
atrás dos dois vórtices seja para baixo. Isto pode também ser observado na primeira
figura, se olhada com atenção. Entretanto, como a viscosidade cinemática do ar é
pequena, a dissipação dos mesmos é lenta, fazendo com que estes vórtices persistam em
distâncias da ordem de 25 km atrás de um grande avião. Por exemplo, na decolagem,
eles ficam sobre a pista e já causaram diversos acidentes quando pequenos aviões
atravessam a sua trajetória.
Para o próximo mês, minha questão é:
“O que congela mais rápido: água quente ou água fria?”
ou
“Será que existe o tal do Efeito Mpemba?”