Aqui na Terra, tendemos a considerar a resistência do ar (também conhecida como “arrasto”). Apenas assumimos que, quando jogamos uma bola, lançamos uma aeronave, desorbitamos uma espaçonave ou disparamos uma bala de uma arma, que o ato de viajar pela nossa atmosfera diminui a velocidade naturalmente. Mas qual é a razão disso? Como o ar é capaz de desacelerar um objeto, seja em queda livre ou em vôo?
Devido à nossa dependência de viagens aéreas, nosso entusiasmo pela exploração espacial e nosso amor pelos esportes e por levar as coisas para o ar (inclusive nós mesmos), entender a resistência do ar é essencial para entender a física e parte integrante de muitas disciplinas científicas. Como parte da subdisciplina conhecida como dinâmica de fluidos, aplica-se aos campos de aerodinâmica, hidrodinâmica, astrofísica e física nuclear (para citar alguns).
Definição:
Por definição, a resistência do ar descreve as forças que estão em oposição ao movimento relativo de um objeto quando ele passa pelo ar. Essas forças de arrasto agem em oposição à velocidade de fluxo que se aproxima, diminuindo a velocidade do objeto. Diferentemente de outras forças de resistência, o arrasto depende diretamente da velocidade, pois é o componente da força aerodinâmica líquida que atua oposta à direção do movimento.
Outra maneira de dizer isso é dizer que a resistência do ar é o resultado de colisões da superfície principal do objeto com moléculas de ar. Portanto, pode-se dizer que os dois fatores mais comuns que afetam diretamente a quantidade de resistência do ar são a velocidade do objeto e a área de seção transversal do objeto. Portanto, tanto o aumento da velocidade quanto as áreas de seção transversal resultarão em uma quantidade maior de resistência do ar.
Em termos de aerodinâmica e vôo, arrasto refere-se tanto às forças que atuam opostas ao impulso, quanto às forças que trabalham perpendicularmente a ele (isto é, elevação). Na astrodinâmica, o arrasto atmosférico é uma força positiva e negativa, dependendo da situação. É uma perda de combustível e eficiência durante a decolagem e uma economia de combustível quando uma nave espacial está retornando à Terra da órbita.
Cálculo da resistência do ar:
A resistência do ar é geralmente calculada usando a "equação de arrasto", que determina a força experimentada por um objeto que se move através de um fluido ou gás a uma velocidade relativamente grande. Isso pode ser expresso matematicamente como:
Nesta equação, FD representa a força de arrasto, p é a densidade do fluido, v é a velocidade do objeto em relação ao som, UMA é a área da seção transversal eCD é o coeficiente de arrasto. O resultado é o que é chamado de "arrasto quadrático". Uma vez determinado, o cálculo da quantidade de energia necessária para superar o arrasto envolve um processo semelhante, que pode ser expresso matematicamente como:
Aqui, Pdé o poder necessário para superar a força do arrasto, Fd é a força de arrasto, v é a velocidade, p é a densidade do fluido, v é a velocidade do objeto em relação ao som, UMA é a área da seção transversal eCD é o coeficiente de arrasto. Como mostra, as necessidades de potência são o cubo da velocidade; portanto, se são necessários 10 cavalos de potência para percorrer 80 km / h, serão necessários 80 cavalos de potência para percorrer 160 km / h. Em suma, uma duplicação de velocidade requer uma aplicação de oito vezes a quantidade de energia.
Tipos de resistência ao ar:
Existem três tipos principais de resistência aerodinâmica - Lift Induzido, Parasitário e Wave. Cada um deles afeta a capacidade de um objeto permanecer no ar, assim como a energia e o combustível necessários para mantê-lo lá. O arrasto induzido por elevação (ou apenas induzido) ocorre como resultado da criação de elevação em um corpo de elevação tridimensional (asa ou fuselagem). Ele tem dois componentes principais: arraste por vórtice e arrasto viscoso induzido por elevação.
Os vórtices derivam da mistura turbulenta de ar de pressão variável nas superfícies superior e inferior do corpo. Estes são necessários para criar elevação. À medida que a elevação aumenta, o arrasto induzido pela elevação também aumenta. Para uma aeronave, isso significa que, à medida que o ângulo de ataque e o coeficiente de sustentação aumentam até o ponto de estol, aumenta também o arrasto induzido pela sustentação.
Por outro lado, o arrasto parasitário é causado pelo movimento de um objeto sólido através de um fluido. Esse tipo de arrasto é composto de vários componentes, que incluem "arrasto de forma" e "arrasto de atrito da pele". Na aviação, o arrasto induzido tende a ser maior em velocidades mais baixas porque é necessário um alto ângulo de ataque para manter a sustentação; assim, à medida que a velocidade aumenta, esse arrasto se torna muito menor, mas o arrasto parasita aumenta porque o fluido está fluindo mais rapidamente em torno dos objetos salientes, aumentando o atrito. A curva de arrasto geral combinada é mínima em algumas velocidades e estará na sua eficiência ideal ou próxima dela.
O arrasto por onda (arrasto por compressibilidade) é criado pela presença de um corpo que se move em alta velocidade através de um fluido compressível. Na aerodinâmica, o arrasto de onda consiste em vários componentes, dependendo do regime de velocidade do voo. Em vôo transônico - a velocidades iguais ou superiores a Mach 0,5, mas ainda inferiores a Mach 1,0 (também conhecida como velocidade do som) - o arrasto de onda é o resultado do fluxo supersônico local.
O fluxo supersônico ocorre em corpos que viajam bem abaixo da velocidade do som, à medida que a velocidade local do ar em um corpo aumenta quando ele acelera sobre o corpo. Em resumo, as aeronaves que voam a velocidades transônicas geralmente sofrem arrastamento das ondas como resultado. Isso aumenta à medida que a velocidade da aeronave se aproxima da barreira do som do Mach 1.0, antes de se tornar um objeto supersônico.
No vôo supersônico, o arrasto de onda é o resultado de ondas de choque oblíquas formadas nas bordas dianteira e traseira do corpo. Em fluxos altamente supersônicos, as ondas do arco se formarão. Em velocidades supersônicas, o arrasto de onda é geralmente separado em dois componentes, arrasto de onda supersônico dependente de elevação e arrasto de onda supersônico dependente de volume.
Compreender o papel que os atritos aéreos desempenham com o vôo, conhecer sua mecânica e conhecer os tipos de potência necessários para superá-lo, são cruciais quando se trata de exploração aeroespacial e espacial. Saber tudo isso também será crítico quando chegar a hora de explorar outros planetas em nosso Sistema Solar e em outros sistemas estelares!
Escrevemos muitos artigos sobre resistência do ar e vôo aqui na Space Magazine. Aqui está um artigo sobre O que é a velocidade terminal ?, Como os aviões voam ?, Qual é o coeficiente de fricção? E Qual é a força da gravidade?
Se você quiser obter mais informações sobre os programas de aeronaves da NASA, confira o Guia para aerodinâmica para iniciantes e aqui está um link para a Equação de arrasto.
Também gravamos muitos episódios relacionados ao Astronomy Cast. Ouça aqui, episódio 102: Gravity.
