Quando uma aeronave produz sustentação, surge inevitavelmente uma consequência aerodinâmica: o arrasto induzido.
Também chamado de drag due to lift, ou arrasto devido à sustentação, ele está diretamente relacionado à diferença de pressão entre as superfícies da asa, à formação dos vórtices de ponta de asa e ao chamado downwash.
Diferentemente do arrasto parasita, que está relacionado principalmente ao atrito, à forma e à interferência entre componentes da aeronave, o arrasto induzido existe justamente porque a asa está produzindo sustentação.
Como surgem os vórtices de ponta de asa?
Durante o voo, a pressão do ar na superfície inferior da asa é, de maneira geral, maior que a pressão existente na superfície superior.
Nas extremidades da asa, porém, não existe uma barreira física impedindo que o ar se desloque entre essas duas regiões.
Assim, parte do ar localizado abaixo da asa tende a se deslocar ao redor da ponta em direção à região de menor pressão existente acima dela.
Esse movimento gera uma circulação tridimensional do fluxo e dá origem aos conhecidos vórtices de ponta de asa, ou wingtip vortices.
Vistos por trás da aeronave, os vórtices das duas asas giram em sentidos opostos e permanecem na esteira da aeronave.
Produtos Recomendados Amazon
SELEÇÃO AVIAÇÃO
O que é o downwash?
A formação dos vórtices modifica o escoamento de ar atrás da asa. Na região entre os vórtices existe uma componente descendente do fluxo denominada downwash.
Esse movimento para baixo altera a direção do vento relativo efetivamente percebido pela asa.
Esse detalhe é fundamental para compreender o surgimento do arrasto induzido.
Como o downwash gera arrasto induzido?
Podemos imaginar inicialmente a sustentação como uma força direcionada verticalmente para cima.
Na prática, devido ao fluxo induzido pelos vórtices e ao downwash, a força aerodinâmica resultante fica inclinada.
Essa inclinação cria uma componente voltada para trás.
É essa componente que chamamos de arrasto induzido.
Em outras palavras: a asa gera sustentação, a sustentação está associada ao downwash e aos vórtices, e esse escoamento inclina a força aerodinâmica, produzindo uma componente de arrasto.
Por que o arrasto induzido aumenta em baixa velocidade?
Um dos aspectos mais importantes desse fenômeno é que o arrasto induzido se torna particularmente significativo em baixas velocidades.
Para manter o peso da aeronave equilibrado pela sustentação enquanto a velocidade diminui, a asa precisa operar com um coeficiente de sustentação maior.
Na prática, isso normalmente significa voar com maior ângulo de ataque.
Com o aumento do coeficiente de sustentação, os efeitos do fluxo induzido também se tornam mais intensos.
A equação do arrasto induzido
Uma forma clássica de representar o coeficiente de arrasto induzido é:
Onde:
- Cdi = coeficiente de arrasto induzido;
- CL = coeficiente de sustentação;
- AR = alongamento da asa, ou aspect ratio;
- e = fator de eficiência da asa;
- π = constante matemática pi.
Essa relação mostra que o arrasto induzido cresce aproximadamente com o quadrado do coeficiente de sustentação.
Também mostra que asas com maior alongamento tendem, mantidas as demais condições, a produzir menor arrasto induzido.
Materiais Recomendados
MATERIAIS DIGITAISDIGITAL
TESOURO DIGITAL
Guia de recuperação de ouro e metais preciosos de resíduos eletrônicos
SAIBA MAISPor que asas longas e estreitas são eficientes?
O chamado aspect ratio, ou alongamento, representa de maneira simplificada uma relação geométrica importante da asa.
Asas longas e relativamente estreitas apresentam maior alongamento.
Esse tipo de geometria reduz a influência proporcional das pontas da asa sobre o restante da superfície sustentadora, diminuindo o efeito dos vórtices e, consequentemente, o arrasto induzido.
É por isso que planadores apresentam asas extremamente longas e estreitas.
Também é uma das razões pelas quais aeronaves modernas voltadas para maior eficiência aerodinâmica procuram aumentar o alongamento das asas dentro dos limites estruturais, operacionais e aeroportuários existentes.
Qual é a função dos winglets?
Os winglets e outros dispositivos instalados nas pontas das asas têm como um de seus principais objetivos melhorar a eficiência aerodinâmica.
Eles não simplesmente eliminam os vórtices.
O que fazem é modificar a estrutura do fluxo na ponta da asa e reduzir determinados efeitos associados à circulação e ao arrasto induzido.
Quando adequadamente projetados para determinada aeronave e condição operacional, esses dispositivos podem contribuir para reduzir o arrasto total e melhorar a eficiência.
Produtos Recomendados Amazon
SELEÇÃO AVIAÇÃO
Arrasto induzido e arrasto parasita
O comportamento do arrasto induzido com a velocidade é praticamente oposto ao do chamado arrasto parasita.
Em velocidades elevadas, o arrasto parasita aumenta significativamente.
Já em velocidades menores, o arrasto induzido aumenta.
A soma dos dois gera a conhecida curva de arrasto total, que possui um ponto de mínimo.
Essa relação é fundamental para compreender diversos aspectos do desempenho da aeronave, incluindo eficiência aerodinâmica, potência requerida e comportamento em baixa velocidade.
Efeito solo e arrasto induzido
Outro fenômeno diretamente relacionado ao arrasto induzido é o efeito solo.
Quando uma aeronave voa muito próxima ao solo, a superfície interfere na formação normal do fluxo ao redor das asas.
Essa interferência reduz o upwash, o downwash e a intensidade dos vórtices de ponta de asa.
Como consequência, ocorre uma redução do arrasto induzido.
É por isso que, durante a decolagem ou no arredondamento antes do pouso, uma aeronave pode apresentar comportamento aerodinâmico diferente daquele observado longe do solo.
Vórtices de ponta de asa também são uma questão de segurança
Os vórtices não são importantes apenas porque produzem arrasto.
Eles também formam a chamada turbulência de esteira, ou wake turbulence.
A intensidade dos vórtices depende de fatores como peso, velocidade e configuração da aeronave.
Aeronaves maiores e pesadas podem produzir vórtices extremamente fortes, representando risco para aeronaves que voem muito próximas de sua trajetória.
Por isso existem procedimentos específicos de separação entre aeronaves durante decolagens, aproximações e pousos.
Conclusão
O arrasto induzido é uma consequência inevitável da produção de sustentação por uma asa de envergadura finita.
A diferença de pressão entre as superfícies da asa provoca um fluxo ao redor de suas extremidades, formando os vórtices de ponta.
Esses vórtices geram downwash e alteram o escoamento local, inclinando a força aerodinâmica para trás.
Essa componente voltada para trás é o arrasto induzido.
Compreender esse fenômeno ajuda a entender muito mais do que apenas o arrasto: explica a geometria das asas, a utilização de winglets, o comportamento da aeronave em baixa velocidade, o efeito solo, a eficiência aerodinâmica e aspectos importantes relacionados à turbulência de esteira.
Na aviação, produzir sustentação tem sempre um custo aerodinâmico — e parte desse custo recebe o nome de arrasto induzido.
Para mais conteúdos sobre aviação e mecânica aeronáutica, visite: www.mecanicaaerea.online
Referências
FEDERAL AVIATION ADMINISTRATION — FAA. Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge — FAA-H-8083-25C. Chapter 5: Aerodynamics of Flight.
Federal Aviation Administration — Pilot’s Handbook of Aeronautical KnowledgeFEDERAL AVIATION ADMINISTRATION — FAA. Glider Flying Handbook. Chapter 3: Aerodynamics of Flight.
Federal Aviation Administration — Glider Flying HandbookFEDERAL AVIATION ADMINISTRATION — FAA. Airplane Flying Handbook — FAA-H-8083-3C.
Federal Aviation Administration — Airplane Flying HandbookFEDERAL AVIATION ADMINISTRATION — FAA. Aeronautical Information Manual — Wake Turbulence.
FAA — Wake TurbulenceNASA GLENN RESEARCH CENTER. Induced Drag Coefficient. Beginner’s Guide to Aeronautics.
NASA — Induced Drag CoefficientNASA GLENN RESEARCH CENTER. Downwash Effects on Lift. Beginner’s Guide to Aeronautics.
NASA — Downwash Effects on Lift
