AERODINÂMICA Parapente / Asa Delta OBJECTIVOS Rever matéria inerente à qualificação de piloto estagiário Discutir e clarificar dúvidas relativas à matéria Sempre que possível, aplicar a matéria adquirida em casos práticos de instrução. SUMÁRIO Nomenclatura do perfil Sustentação Nomenclatura e estrutura da asa Forças que actuam na asa Controlo da asa Performance Envelope de Voo O PERFIL e a ASA GEOMETRIA DO PERFIL Espessura máxima Linha média de curvatura Extradorso Bordo de ataque Bordo de fuga Corda Intradorso Localização da máxima espessura Corda TIPOS DE PERFIS Biconvexos simétricos Biconvexos assimétricos Plano convexos Côncavo convexos GEOMETRIA DA ASA Área (S) Envergadura (b) Alongamento / Aspect Ratio (AR) AR = b2/ S GEOMETRIA DA ASA Enflechamento Ângulo formado entre o bordo de ataque da asa e a direcção perpendicular ao plano de simetria da aeronave. Enflechamento ESTRUTURA DA ASA ESTRUTURA DA ASA ESTRUTURA DA ASA Nervuras Têm a forma do perfil da asa e têm por finalidade: Conferir forma à asa Ligar o intradorso ao extradorso Suportar os esforços a que a asa está sujeita em voo Longarinas Somente presentes na asa delta, têm por função suportar todos as flexões positivas e negativas a que a asa está sujeita. ESTRUTURA DA ASA Entradas de ar Somente presentes no parapente, têm por função admitir a entrada de ar sob pressão de forma a conferir e manter a forma da asa. A distribuição de pressão ao longo da asa é garantida através de orifícios nas nervuras. A localização das entradas de ar é de extrema importância e normalmente são colocadas na zona do bordo de ataque onde a pressão é maior ( ponto de estagnação). PONTO DE ESTAGNAÇÃO Ponto do perfil onde a pressão é maior ou ponto de impacto do ar no perfil ESTRUTURA DA ASA EIXOS EIXOS Tudo o que voa move-se num espaço tridimensional, logo é natural que os seus movimentos se façam em torno de 3 eixos: Eixo vertical Em torno do qual são efectuados os movimentos de guinada. Parapente – Através de actuação assimétrica dos comandos Asa Delta – Através da deslocação do Centro de Gravidade (CG) EIXOS Eixo transversal Em torno do qual são efectuados os movimentos de cabeceio (cabrar, picar). Asa Delta – Através da deslocação do CG Parapente – Os comandos não permitem actuar directamente sobre o eixo transversal. No entanto podem induzir rotações em torno deste eixo. EIXOS Eixo longitudinal Em torno do qual são efectuados os movimentos de pranchamento. Asa Delta – Através da deslocação do CG Parapente –Através da actuação assimétrica dos comandos EIXOS CONCEITOS e DEFINIÇÕES PRESSÃO Por definição a pressão é força por unidade de área P = F /A Unidades: bar, N/m2 ou Pascal (Pa), 1hPa = 1mb Actua sempre perpendicularmente à superfície Decresce com a altitude PRESSÃO Pressão total = Pressão estática + Pressão dinâmica Sendo a Pressão dinâmica dependente da velocidade do ar Pd = 0,5 x densidade do ar x V2 DENSIDADE A densidade, , é definida como a massa por unidade de volume. =m/v A densidade diminui com : Diminuição da pressão Aumento da temperatura Altitude PRESSÃO / DENSIDADE / TEMPERATURA A relação entre a pressão, densidade e temperatura é dada pela lei dos gases ideias: P = densidade do ar x Temperatura do ar PRINCÍPIO DA CONTINUIDADE Na mecânica de fluidos, o princípio de conservação de massa é traduzido pela equação de continuidade, ou seja, conservação de caudal (massa / tempo): O caudal através da área A1 tem de ser igual ao que passa na área A2 TEOREMA DE BERNOULLI Num escoamento incompressível Ptotal = constante ! Se a Velocidade (V) aumenta, a pressão estática (Pe diminui); Se a Velocidade diminui (V), a pressão estática (Pe aumenta); SUSTENTAÇÃO SUSTENTAÇÃO EXTRADORSO: Maior velocidade. INTRADORSO: Menor velocidade. DISTRIBUIÇÃO DE PRESSÃO •Extradorso: Menor pressão => Força para cima ! Intradorso: Maior pressão PONTO DE ESTAGNAÇÃO Ponto do perfil onde a pressão é maior ou ponto de impacto do ar no perfil DISTRIBUIÇÃO DE PRESSÃO RFA As forças aerodinâmicas que actuam ao longo da asa podem ser representadas por uma única força – Resultante das Forças Aerodinâmicas (RFA), aplicada num ponto denominado Centro de Pressões (CP). SUSTENTAÇÃO E RESISTÊNCIA A RFA pode ser decomposta em duas componentes: Sustentação Componente perpendicular ao vento relativo. Resistência ou Arrasto Componente paralela ao vento relativo . SUSTENTAÇÃO E RESISTÊNCIA •Ângulo de ataque: ângulo formado entre o vento relativo e a linha de corda. •Ângulo de incidência: ângulo formado entre plano horizontal e a linha de corda. ÂNGULO DE ATAQUE Numa asa delta o piloto pode modificar o ângulo de ataque através da barra de controlo: Aumentar α (cabrar) Empurra a barra Diminuir α (picar) Puxa a barra No parapente como não temos acção directa sobre os movimentos de cabeceio (pitch), a única forma que temos para controlar o ângulo de ataque é através da modificação da curvatura do perfil. ÂNGULO DE ATAQUE Logo no parapente variamos o ângulo de ataque através da acção simétrica dos comandos. VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO A sustentação para uma asa com um dado perfil varia com: Área da asa (s) Densidade do ar (ρ) Velocidade (v) Pd = (0,5. ρ.v2) Forma do perfil / asa Ângulo de ataque Coeficiente de sustentação (CL) VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO A relação destes parâmetros é dada por L=CL.0,5. ρ. v2 . s VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO L=CL.0,5. ρ. v2 . s , logo: Área da asa Quanto maior a área da asa mais sustentação ela produz. Um piloto com uma asa pequena precisa de correr mais (atingir uma velocidade maior) do que com uma asa grande. VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO L=CL.0,5. ρ. v2 . s , logo: Velocidade Quanto maior a velocidade maior a sustentação Com vento fraco temos que correr para atingir a velocidade que dá a sustentação para descolar. Com vento forte podemos até ser arrancados do solo! VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO L=CL.0,5. ρ. v2 . S Densidade Quanto menor a densidade menos sustentação a asa produz Quanto mais elevada estiver uma descolagem mais teremos de correr para descolar! VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO Para além de todos estes parâmetros, a sustentação também varia com o ângulo de ataque (α). Esta variação é dada pelo CL. VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO Através do gráfico verifica-se que o CL aumenta com o α, até atingir um valor máx. Daqui a vantagem de travarmos um pouco a asa na corrida de descolagem. A partir deste ponto máx, um aumento do α diminui a sustentação de uma forma relativamente abrupta. VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO A esta diminuição abrupta da sustentação devido a um aumento do α, chama-se perda ou stall! A perda no parapente é extremamente violenta, visto este não ter uma estrutura rígida. Numa asa delta a saída de perda é bastante mais acessível. VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO Mas como surge a perda ?? VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO Para ter sustentação é necessário haver uma diferença de pressões entre o intradorso e o extradorso. Já tínhamos visto que esta diferença de pressão era conseguida através de uma diferença de velocidades entre o intradorso e o extradorso. Relembrando a variação do CL em função do ângulo de ataque, verificamos que a sustentação aumenta linearmente com o ângulo de ataque, até um certo ponto. A partir deste ponto, denominado ponto de CLmáx , o CL diminui abruptamente. VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO O que na realidade acontece é que a partir do ângulo de ataque de CLmáx grande parte do escoamento descola-se do extradorso. VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO Este descolamento faz com que: A velocidade do escoamento sobre a asa diminua repentinamente ↓ A diferença de pressões entre o extradorso e intradorso diminui ↓ A sustentação diminui e não é suficiente para sustentar a asa VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO α = 5º CL = 0,6 α = 10º CL= 1,2 VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO •α = 15º CL = 1,35 •α = 22,5º CL = 0,7 Perda! VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO A perda dá-se sempre ao mesmo ângulo de ataque, independentemente da velocidade!!!! VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO TORÇÃO Normalmente o ângulo de ataque varia ao longo da envergadura da asa. A esta variação do ângulo de ataque ao longo da envergadura chama-se torção. VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO Nas asas delta, esta torção tem aplicação maior em termos de estabilidade e comportamento de entrada em perda VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO No parapente a torção tem interesse a nível de comportamento da asa: Em perda Em voo com acelerador. VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO Torção positiva Ângulo de ataque maior nas pontas. As pontas da asa entram primeiro em perda. VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO Torção positiva Maior estabilidade em voo acelerado VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO Para além da entrada em perda, a torção positiva também ajuda a manter as pontas da asa sob tensão. VARIAÇÃO DA SUSTENTAÇÃO Torção negativa Ângulo de ataque menor nas pontas. O centro da asa entra em perda primeiro. RESISTÊNCIA AERODINÂMICA RESISTÊNCIA AERODINÂMICA Resistência aerodinâmica ou arrasto é a componente horizontal da RFA paralela ao vento relativo. RESISTÊNCIA AERODINÂMICA Tal como a sustentação gerada por um perfil depende da sua forma, a resistência gerada por um perfil ou objecto depende igualmente da forma deste. Quanto mais suaves forem os contornos do objecto menor é a resistência ao avanço RESISTÊNCIA AERODINÂMICA A resistência de uma asa com um dado perfil varia com: Área da asa (s) Densidade do ar (ρ) Velocidade (v) Pd = (0,5. ρ.v2) Forma do perfil / asa Ângulo de ataque Coeficiente de resistência (CD) RESISTÊNCIA AERODINÂMICA A relação destes parâmetros é dada por D=CD.0,5. ρ. v2 . S Mais velocidade Mais resistência Menor densidade Menor resistência Área maior Maior resistência CD maior Maior resistência RESISTÊNCIA AERODINÂMICA Tal como o CL para uma dada asa varia com o α, o CD de uma dada asa também é dado em função do ângulo de ataque. RESISTÊNCIA AERODINÂMICA A resistência que temos estado a considerar é a resistência total. Esta resistência total é a soma da contribuição de dois tipos de resistências RESISTÊNCIA AERODINÂMICA Resistência induzida Induzida pela sustentação. Devido à menor pressão no extradorso, o ar tende a circular do intradorso para o extradorso. RESISTÊNCIA AERODINÂMICA Resistência induzida Esta tendência do ar passar para o extradorso cria uma circulação de ar denominada vórtices RESISTÊNCIA AERODINÂMICA Linhas de corrente na ponta da asa (linhas a vermelho) RESISTÊNCIA AERODINÂMICA Factores que afectam a resistência induzida Alongamento Maior alongamento → Menor Resistência induzida Ângulo de ataque Maior ângulo de ataque → maior Coeficiente de sustentação → maior resistência induzida RESISTÊNCIA AERODINÂMICA Factores que afectam a resistência induzida Velocidade Quanto maior for a velocidade → menor é o ângulo de ataque → menor é a resistência induzida. Torção da asa Se a asa tem torção e esta apresenta um ângulo de ataque menor na ponta, menor será a diferença de pressão no bordo marginal, sendo os vórtices menos intensos e a resistência induzida menor. RESISTÊNCIA AERODINÂMICA Forma da planta da asa Numa asa com a forma elíptica a resistência induzida será a menor possível. RESISTÊNCIA AERODINÂMICA Resistência parasita Resistência parasita é toda a resistência gerada que não depende da sustentação, só depende da velocidade. Existem dois tipos de resistência parasista: Resistência de fricção Resistência de pressão ou forma RESISTÊNCIA AERODINÂMICA Resistência de fricção Este tipo de resistência tem a ver com a fricção entre o ar e a superfície da asa ou objecto. Como o ar tem viscosidade, a superfície tem tendência em abrandar o ar por fricção, gerando assim a resistência de fricção. RESISTÊNCIA AERODINÂMICA Resistência de pressão ou forma Se um objecto se está a mover, a pressão à frente do objecto é superior à pressão atrás, fazendo com que as forças de pressão geradas actuem no sentido inverso ao deslocamento. Este tipo de resistência também é conhecido como resistência de forma, pois as forças de pressão geradas por este efeito dependem da forma do objecto: quanto maior for a área frontal e abruptos os contornos maior será esta resistência. RESISTÊNCIA AERODINÂMICA Variação da Resistência com a velocidade A resistência induzida é maior a baixas velocidades A resistência parasita é maior a elevadas velocidades SUSTENTAÇÃO / RESISTÊNCIA A partir dos dois gráficos CL vs α e CD vs α obtem-se um gráfico da sustentação em função da resistência (Polar de arrasto) PERFORMANCE PERFORMANCE A Polar dá-nos a variação da resistência em função da sustentação. Em termos práticos em vez de sustentação e resistência, usa-se a velocidade horizontal e a velocidade de descida. PERFORMANCE Se ao longo de um voo obtivermos os valores de razão de descida em função das velocidades de voo, consegue-se obter a polar. PERFORMANCE A partir da polar pode-se retirar toda a informação relevante para a performance do parapente / asa delta, tais como: Velocidade de perda Velocidade de planeio máx Velocidade de razão de descida mínima. PERFORMANCE Velocidade de perda A velocidade de perda pode ser identificada como o ponto com menor velocidade horizontal. PERFORMANCE Velocidade de razão de descida mínima Ponto onde a velocidade vertical é mínima. Indica-nos a velocidade horizontal a que devemos voar para rentabilizar uma corrente ascendente. PERFORMANCE Velocidade de planeio máx O que é o planeio (finesse)? Por definição, planeio ou razão de planeio é a razão entre a sustentação e a resistência (L/D) para uma dada condição de voo. PERFORMANCE Planeio também pode ser definido como: V horizontal / V vertical Ou Distância horizontal / Distância vertical PERFORMANCE O planeio varia com a velocidade. No entanto o planeio máx (L/D)máx é um valor fixo para um dado parapente/asa delta, a não ser que se altere a asa (ou arnês) de forma a diminuir a resistência (D). Logo, se partindo de uma certa altitude quiser ir o mais longe possível, deverei voar à velocidade de planeio máx! PERFORMANCE PERFORMANCE Velocidade horizontal e vertical no planeio máx PERFORMANCE Na polar descobre-se o planeio máx traçando uma recta a partir da origem do gráfico. O ponto tangente à curva identifica a velocidade de melhor planeio. PERFORMANCE Trajectórias seguidas conforme velocidades da polar PERFORMANCE A polar é construída em ar calmo, ou seja: Vento nulo Ausência de ascendentes/descendentes A partir do momento em que surge vento ou ascendentes/descendentes, a velocidade de planeio máx pode já não ser a melhor velocidade para voar!! PERFORMANCE Caso de uma descendente: A velocidade de melhor planeio é superior à de planeio máx para ar calmo. planeio real < planeio máx. PERFORMANCE Planador vermelho – Velocidade máx em ar calmo Planador amarelo – Velocidade de melhor planeio em ar calmo PERFORMANCE Vento de frente PERFORMANCE Com vento de frente a cena repete-se: velocidade a voar é superior à de planeio máx Planeio real < Planeio máx PERFORMANCE Vento de cauda PERFORMANCE Com vento de cauda sucede o contrário, pois podemos aproveitar a o vento para melhorar o planeio. Velocidade a voar é inferior à de planeio máx Planeio real > Planeio máx PERFORMANCE Em ascendentes, sucede o mesmo, pois pode-se aproveitar a ascendente para melhorar o planeio Velocidade a voar é inferior à de planeio máx Planeio real > Planeio máx PERFORMANCE Com vento de lado tem de se levar em consideração a componente do vento quando se corrige o rumo Sem correcção do rumo Com correcção do rumo PERFORMANCE Influência da carga alar Por definição, carga alar é a razão entre o peso total em voo e a superfície da asa Carga alar = Peso / Área = W/S Ao aumentarmos a carga alar estamos a aumentar o peso para uma mesma área, logo a asa vai ter uma velocidade horizontal e vertical maior. PERFORMANCE A carga alar não influencia o planeio máx! Influência isso sim, a velocidade a que temos o planeio máx. ANÁLISE DAS FORÇAS DESCOLAGEM DESCOLAGEM Forças que actuam durante o inflado: Peso do piloto Tracção conferida pelo piloto Resistência (grande) , Sustentação (pequena) Força centrífuga DESCOLAGEM Durante a primeira fase do inflado, o piloto usa o seu peso como motor de tracção e os braços para criarem um movimento rotativo de forma a aproveitar a força centrífuga para elevar a asa do solo DESCOLAGEM À medida que asa vai subindo e ganhando velocidade, começa a surgir a sustentação necessária para suportar o peso da asa. A partir do ponto em que a asa consegue “autosustentarse”, o piloto só necessita de utilizar o peso como motor para atingir a velocidade necessária para a descolagem (V > Vperda). DESCOLAGEM Devemos sempre descolar e aterrar contra o vento! Assim garantimos sempre uma velocidade ar elevada e uma velocidade solo relativamente pequena. VOO Voo rectilíneo Forças Sustentação (L) Resistência (D) Peso (W) VOO D = W sen (γ) L = W cos (γ) O peso funciona como motor do planador ! VOO Voo em volta nivelada LV = W LH ( Força centrípeta ) = Força centrífuga VOO Em volta a sustentação é decomposta em duas componentes: A componente vertical que compensa o peso A horizontal que compensa a força centrífuga VOO Factor de carga n=L/W Em voo rectilíneo o factor de carga é 1g (L = W) Numa volta sem perder altura, o factor de carga é superior a 1g pois a sustentação tem que aumentar de forma a compensar a força centrífuga ENVELOPE DE VOO ENVELOPE DE VOO Em certas manobras, o parapente/asa delta gera uma força de sustentação muito superior ao peso. As forças aerodinâmicas são proporcionais ao quadrado da velocidade de voo. Logo, as forças a que um parapente/asa delta fica sujeito dependem do quadrado da velocidade e do factor de carga. O envelope de voo não é mais do que a combinação do factor de carga máx em função de cada velocidade de voo. ENVELOPE DE VOO Existem duas formas de se sair do envelope de voo: Voluntária Acrobacia (apesar de se fazer acrobacia dentro do envelope de voo) Involuntária Incidentes em voo (Perda, Fechos, Tumbling) ENVELOPE DE VOO Perda Já vimos que a perda surge quando o escoamento se descola da asa, causando um queda abrupta da sustentação. Perda voluntária A perda pode ser provocada através do aumento voluntário do ângulo de ataque. À medida que aumentamos o ângulo de ataque, o Centro de Pressões (CP) move-se na direcção do bordo de ataque. ENVELOPE DE VOO No entanto quando a asa atinge a perda o CP desloca-se para o bordo de fuga, daí a tendência natural para a asa picar após entrar em perda. No parapente como controlamos o ângulo de ataque através da deflexão do bordo de fuga, a asa só vai ter tendência para picar quando soltarmos os comandos. ENVELOPE DE VOO Em ambos os casos o procedimento para sair da perda é picar a asa para que esta ganhe velocidade novamente. No parapente o recuo da asa é feito de forma extremamente violenta visto o parapente não ter uma estrutura rígida, logo deve-se ter muito cuidado na reposição das mãos em cima a fim de evitar uma abatida extremamente violenta. ENVELOPE DE VOO Perda estática (Aumento gradual do ângulo de ataque) ENVELOPE DE VOO Perda dinâmica (Asa com velocidade seguido de aumento repentino do ângulo de ataque) ENVELOPE DE VOO Perdas involuntárias Podem ser originadas por sobre pilotagem (mais comum no parapente): Excesso de comandos após fecho Excesso de comandos ao tentar top-landing ENVELOPE DE VOO Perdas involuntárias Originadas por rajadas : Excesso de comandos na aterragem e surgimento de uma rajada Entrada numa térmica violenta Descolagem numa falésia abrupta com vento forte ENVELOPE DE VOO Perda assimétrica Só um dos lados da asa entra em perda, o que leva a que a asa rode para o lado que está em perda. Perda involuntária Excesso de comandos após fecho assimétrico Entrada numa ascendente violenta com só um dos lados da asa ENVELOPE DE VOO Neste tipo de situação deve-se diminuir o ângulo de ataque do lado em perda e controlar a velocidade do lado que voa de forma a diminuir a rotação. ENVELOPE DE VOO Perda assimétrica voluntária (Perda assimétrica provocada a baixa velocidade) Visto a asa que voa estar com baixa velocidade a rotação não é muito severa. Após parar a rotação a tendência é para a asa picar a fim de ganhar novamente velocidade. ENVELOPE DE VOO Perda assimétrica voluntária (Entrada a partir de mãos em cima) Este caso é bastante mais violento pois a diferença de velocidades entre as duas asas impõe uma rotação elevada que pode levar ao “twist” das bandas ( elevadores). ENVELOPE DE VOO Nestes casos deve-se jogar pelo seguro e em caso de twist lançar o pára quedas de emergência. ENVELOPE DE VOO Fechos Provocados devido: Passagem do ponto de estagnação para uma região acima das entradas de ar Perda de pressão interna (mais frequente nas pontas das asas) ENVELOPE DE VOO Fechos simétricos ou frontais Surgem devido a uma abatida não controlada: Saída violenta da térmica Saída de uma trepada Ou devido a turbulência ENVELOPE DE VOO Fecho frontal Após a abertura das entradas de ar (que deve ser feita através um aumento do ângulo de ataque), a asa tenderá a picar para ganhar velocidade Os fechos frontais podem ser bastante delicados em asas de competição ENVELOPE DE VOO Fechos assimétricos (Só um dos lados é que fecha) Podem criar velocidades de rotação elevadas se forem superiores a 50% ENVELOPE DE VOO O procedimento nestes fechos é sempre o mesmo: 1º manter a trajectória 2º Se necessário, bombear o lado fechado ENVELOPE DE VOO Em caso de dúvida deixar a asa actuar ! A maior parte das asas (até DHV-2) reabrem por si. Se se tratar de uma asa DHV 2-3 ou 3 o piloto tem de intervir, para tal tem de saber exactamente o que fazer a fim de não agravar a situação. Se não souber, não tem nada que voar com este tipo de asas!!! ENVELOPE DE VOO Tumbling (asa delta) O tumbling é certamente o pior pesadelo de qualquer deltista! Ocorre quando a asa sofre uma abatida violenta e passa para debaixo do piloto. Pode ser causado por: Saída violenta da térmica Abatidas violentas mal compensadas após grandes trepadas Turbulência severa ENVELOPE DE VOO Em caso de tumbling o piloto deve evitar a todo o custo cair dentro da asa (segurando-se à barra de controlo) e lançar o reserva. FIM Julho 2004 Paulo Nunes da Silva