Aerodinâmica dos aeromodelos

Este tutorial não é meu, so o estou transcrevendo, como fonte de informação. Segue na íntegra com os créditos para o Autor, Sr. Paulo Salvado.
O original está no site da Hobby Esportes.
http://www.hobbys.com.br/aerodinamica%20dos%20aeromodelos.htm

A AERODINÂMICA DOS AEROMODELOS
Por: Paulo Salvado
Coyright 2000 Editora Bruno Sob concessão da Revista Brasil Modelismo.
O presente texto e imagens que acompanham são propriedade autoral da Editora Bruno
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 Penas da Lei.


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Um elemento aerodinâmico indispensável para que qualquer aeronave (o aeromodelo é uma aeronave) mantenha seu vôo de forma estável e controlada é a estabilidade inerente e suas características. Os aeromodelos VCC (de vôo circular controlado ou "U-control") são talvez as únicas aeronaves que não seguem todas essas regras porque é óbvio que um aparelho que voa preso a cabos de controle tem um comportamento completamente diferente daqueles de vôo-livre ou radiocontrolados. Mas alguns itens são comuns a todas as aeronaves (e aeromodelos).

Qualquer aeromodelo cujos movimentos através do ar não está limitado por cabos de controle, estará livre para subir ou descer, girar de um lado para outro e mudar de direção para a esquerda ou direita; combinando e variando a intensidade destes três movimentos para realizar um número infinito de manobras. Uma aeronave realiza seus movimentos em torno de três diferentes eixos.

O primeiro é o eixo vertical em torno do qual a aeronave gira para mudar a direção do vôo. Este eixo direcional atravessa o avião perpendicularmente, passando através de um ponto imaginário chamado centro de gravidade ou, simplesmente, CG. Para estabilizar o aparelho em torno do seu eixo direcional é empregada uma superfície na cauda, também vertical, que conhecemos por deriva. Instalando-se um leme móvel nessa deriva, será possível comandar a guinada da aeronave, ou seja, poderemos mudar a direção de vôo no plano horizontal para a esquerda ou direita.

Um modelo de vôo-livre (lembre-se de que um aeromodelo de vôo-livre éaquele que voa por si próprio, sem qualquer interferência do aeromodelista) sem deriva teria poucas chances de manter a trajetória de vôo e, provavelmente, entraria facilmente em parafuso até o solo.

O CG pode ser localizado de forma exata suspendendo-se o aeromodelo por um barbante, etc., por um ponto qualquer como, por exemplo, o bordo-de-fuga da asa na altura da sua junção com o bordo marginal (curvatura da ponta-de-asa) . Com o modelo estático e utilizando um fio-de-prumo, estenda a linha direcionada pelo barbante e o prumo, com um lápis macio ou caneta hidrográfica, até pouco depois desta atravessar a fuselagem. Repita a operação, desta vez pendurando o aeromodelo por um outro ponto, que pode ser o bordo marginal do estabilizador. O CG estará na intercessão das duas linhas.

Como os aeromodelos VCC são assimétricos e geralmente têm um contrapeso na asa direita para compensar o peso dos cabos de controle, o CG deles estará localizado em um ponto fora da fuselagem sobre a asa direita. Já os aeromodelos de vôo livre e radiocontrolados deverão ter seus CG’s rigorosamente sobre o eixo da fuselagem. Este é um método preciso e complicado mas há um outro, bem mais simples, que pode ser praticado com precisão bastante razoável: Levante o aeromodelo pelas asas usando os dedos indicadores até equilibrá-lo na posição horizontal; o CG estará sobre a linha que une um dedo ao outro, passando pela fuselagem.

O segundo eixo atravessa a aeronave na direção de uma ponta-de-asa à outra, passando através do CG. O avião sobe ou desce em torno deste eixo chamado de eixo lateral. A superfície responsável pela sua estabilização é o estabilizador, horizontalmente instalado na cauda. Se instalarmos profundores no estabilizador, poderemos controlar a arfada do aeromodelo, isto é, poderemos fazê-lo picar ou cabrar (descer ou subir, respectivamente).

O terceiro e último eixo atravessa a aeronave do nariz à cauda, também passando pelo CG, e é conhecido por eixo longitudinal. O aparelho gira em tomo deste eixo como um churrasco no espeto. A estabilização deste eixo é obtida levantando-se as pontas das asas em relação à sua raiz ou centro, formando o que chamamos diedro. Mas se instalarmos ailerons nos bordos-de-fuga da asa poderemos controlar a rolagem do aeromodelo, ou seja, fazê-lo girar tanto no sentido horário como no anti-horário. Resumindo, os movimentos básicos de uma aeronave são três: Guinada, arfada e rolagem e são efetuados respectivamente em torno de três eixos imaginários existentes em todo avião: Eixo vertical, eixo lateral e eixo longitudinal.

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Não se pode ver ou sentir esses eixos mas eles são fatores muito importantes, principalmente quando o aeromodelista, ao projetar seu aeromodelo, tem de enfrentar problemas como limitar a movimentação exagerada ou indesejável em tomo deles.

Quais as principais atitudes a serem tomadas para a obtenção dessa tão desejada estabilidade? Começando pelo eixo vertical, ele deverá utilizar um tamanho suficiente de deriva e, possivelmente, desviar horizontalmente a linha-de-tração do motor para alguma correção durante a fase motorizada do vôo. Um estabilizador de tamanho apropriado, possivelmente auxiliado por um desvio vertical da linha-de-tração corrigirá mergulhos e subidas indesejáveis em tomo do eixo lateral. Um apropriado diedro nas asas manterá o modelo estável em tomo do eixo.

O diedro funciona de forma bem simples. Quando a trajetória da aeronave for perturbada (por uma rajada de vento lateral, por exemplo) ele faz com que a superfície alar (área da asa) projetada da semi-asa que abaixa fique maior do que a da semi-asa que se eleva. Em conseqüência, a semi-asa mais baixa passa a gerar mais sustentação que a outra, provocando uma rolagem no sentido inverso da inclinação. Quando as semi-asas estiverem novamente niveladas, suas sustentações voltam a ser iguais e o aparelho volta à sua atitude nivelada. O diedro também auxilia a guinada inclinando as asas para que o avião não "derrape" ao realizar uma curva, como faz uma bicicleta. Aviões VCC ou radiocontrolados de acrobacia, que necessitam ter características de vôo muito semelhantes quando voando normalmente ou de dorso (invertido) geralmente não utilizam diedro em suas asas. Nestes casos, os cabos de controle ou os ailerons ficam responsáveis pela estabilização da aeronave em tomo do seu eixo longitudinal.

O CG do avião também produz um profundo efeito sobre a estabilidade do vôo. Se a aeronave está mais pesada de um lado, ela tenderá a guinar para o seu lado mais pesado. A estabilidade de um modelo VCC pode ser corrigida simplesmente adicionando-se peso à asa externa ao círculo de vôo, o que faz também aumentar a força que mantém os cabos de controle esticados.

De maneira geral, todo esforço deverá ser feito para que um aeromodelo de vôo-livre ou radiocontrolado não fique mais pesado de um lado. Para isso, equilibre lateralmente o aparelho segurando-o com os dedos pelo nariz e pela cauda (em aeromodelos maiores, será necessário um ajudante para isso), adicionando peso no lado mais leve ou aliviando o mais pesado.

O CG é o ponto onde os eixos vertical, lateral e longitudinal da aeronave se cruzam. É também o ponto em torno do qual o avião realiza todos seus movimentos enquanto está voando. Conseqüentemente, o CG exerce importante influência na estabilidade inerente do aparelho. Um avião, para ser estável, deverá ter obrigatoriamente o seu CG a frente do centro de pressão ou CP da asa. CP é o ponto imaginário por onde a asa exerce sua força de sustentação e que se move para frente ou para trás na proporção que aumenta ou diminui o ângulo de ataque da asa.

Um aparelho real, seja uma aeronave de passageiros ou um avião militar de treinamento, deve ser projetado para voar de forma mais estável possível e, por isso, tem seus CG’s localizados bem para frente do CP. Já um avião acrobático ou um caça militar tem o CG mais próximo ao CP. Há uma particularidade nos aviões de combate da última geração: Eles têm o seu CG atrás do CG. Isto torna o avião completamente instável ao ponto de apenas poderem ser controlados através de "caixas pretas"(computadores).

     

Essa característica faz com que possam assumir características de vôo peculiares como manter uma trajetória reta de vôo com o nariz do avião apontado para um ponto fora desta trajetória. Isto permite uma melhor pontaria das metralhadoras e canhões. Um jornalista inglês disse que pilotar um avião desses sem o auxílio do computador seria como estar sentado em um capô de uma automóvel rodando a 100 km/h, tentando manter uma bicicleta em trajetória reta segurando-a pelo guidão. A bicicleta, neste caso, estaria rodando de marcha a ré.

O mesmo acontece com os aeromodelos de treinamento e acrobáticos. Quanto mais para trás se desloca o CG de um modelo VCC ou radiocontrolado, mais sensível fica o comando da arfada, até o ponto a partir do qual o modelo fica incontrolável. Se o aeromodelo for construído a partir de um "kit", a localização correta do CG deverá estar assinalada na planta. Se for um projeto original, com estabilizador não sustentável e com área de 30% a 40% da superfície alar, comece por localizá-lo a um-terço da corda da asa, a partir do bordo-de-ataque e finalize o seu posicionamento através de testes de vôo. Aeromodelos de vôo-livre são a exceção à essa regra. Como seus estabilizadores são desenhados para produzirem sustentação junto com as asas, seus CG’s são deslocados para trás. Aparelhos chamados não-convencionais, como os canards e as asas-deita (ou asasvoadoras) têm seus CG’s localizados de forma bem peculiar (veja a ilustração). Para os canards utiliza-se um artifício utilizando-se falsos vetores que representam as grandezas das superfícies das asas e do estabilizador, aplicados sobre a vista de topo do aparelho. Na ilustração, a divisão por 20 das grandezas das superfícies é aleatória e tem por finalidade definir a proporcionalidade dos comprimentos dos vetores. As asas-delta têm seus CG’s localizados na projeção, sobre o eixo longitudinal, da interseção da linha imaginária que se desenvolve ao longo da envergadura, começando entre 15% a 20% da corda da raiz e prolongando-se até a ponta-de-asa, com a linha que representa a corda média da asa. Essas localizações de CG’s de aparelhos não-convencionais são apenas teóricas e servem de ponto de partida para a localização definitiva através de testes de vôo.

Pose-se alterar o CG de um aeromodelo simplesmente adicionando-se peso (pedaços de chumbo ou fio de solda) nos extremos máximos da fuselagem, isto é, no nariz ou na cauda. Pode-se também, por exemplo, utilizar um spinner (ogiva sobre o cubo da hélice) mais pesado ou colocar uma roda de bequilha mais pesada na cauda (se o modelo for dotado de trem-de-pouso convencional). Se o modelo for radiocontrolado, pode-se melhor posicionar o CG apenas mudando a localização do receptor, servos e, principalmente, da bateria que é o elemento mais pesado do sistema.. Alguns planadores ou modelos com motor a elástico mais simples podem ser regulados deslocando-se a posição das asas para frente ou para trás, prática impossível em modelos mais complexos.

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Os aeromodelos VCC merecem um parágrafo especial por causa das suas características, bastante diferentes daquelas dos aeromodelos de vôo-livre ou radiocontrolados. Como qualquer avião, o aeromodelo VCC tem os três eixos (vertical, lateral e longitudinal) mas, entretanto, os cabos que mantêm o modelo cativo, limitam a trajetória do vôo a um círculo em volta do piloto, obstruindo qualquer possibilidade de controle sobre a guinada e a rolagem. Os cabos impedem que o aeromodelo ultrapasse os limites do círculo de vôo e, assim, substituem a função do leme. A prova disso é que os modelos VCC de velocidade não têm deriva. Essa superfície é suprimida para diminuir o arrasto.

Mas, apesar disso, os modelos VCC esportivos e de acrobacia têm deriva e sua principal finalidade (deixando de lado a estética) é assegurar que o modelo tenha sempre a tendência para guinar para fora do círculo de vôo, assim esticando os cabos de controle.

Algumas derivas têm leme permanentemente fletido para a direita e outras são completamente fletidas, ou seja, têm seus bordos-de-fuga deslocados para a direita em relação ao eixo longitudinal da fuselagem. Essas deflexões têm o mesmo efeito estando o aeromodelo em vôo normal ou invertido. 

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O projetista de um aeromodelo VCC também não precisa esquentar a cabeça com o eixo longitudinal do ser modelo. Os cabos de controle, em um sistema "U-control", estão presos a um balancim no centro da fuselagem e na raiz das asas e se estendem em direção ao piloto através de tubos-guia localizados na ponta da asa interna ao círculo de vôo.

Os cabos não permitem um desnivelamento exagerado das asas, o que leva a deduzir que, quanto mais eles estiverem esticados, mais estável estará o aeromodelo. Os cabos também tornam o diedro inefectivo.

Um aeromodelo VCC pode ser ou não provido de diedro que não fará diferença alguma. Mas esse mesmo projetista terá de se preocupar, e muito, com o comportamento do aeromodelo em torno do seu eixo lateral. O tamanho do estabilizador não é muito crítico, o mesmo não acontecendo com o tamanho dos profundores, que são comandados através dos cabos de controle e da manete na mão do piloto. Ao comandar os profundores, o piloto pode modificar a trajetória do aeromodelo, fazendo-o picar ou cabrar e, assim, realizar bonitas e arrojadas acrobacias.

O único requisito necessário para que um modelo VCC seja eficiente é que seja sempre capaz de sustentar o vôo nivelado em trajetória estável e mantendo os cabos de controle esticados, o que toma a correta localização do seu CG um fator muito importante.

Entretanto, se a estabilidade não é tão problemática nos aeromodelos VCC, ela é um dos baluartes do desempenho de aeromodelos de vôo-livre (não-controlados). O CG é o ponto imaginário prelo qual a força da gravidade exerce sua atração sobre a estrutura da aeronave mas, como já citamos anterionnente, existe também o CP que é o ponto, também imaginário, por onde as asas exercem sua força de sustentação, que se contrapõe à força da gravidade.

O CP é um ponto móvel que se move para frente na proporção que aumenta o ângulo de ataque da asa e vice-versa. Esse deslocamento é medido em porcentagem do comprimento da corda da asa (vide ilustração).

Conseqüentemente, é fácil deduzir que asas com grande alongamento, isto é, com grande envergadura e corda estreita proporcionam pequenos deslocamentos do CP.

Uma vez que o deslocamento do CP na direção do CG causa uma tendência para levantar o nariz do avião até deteriorar sua estabilidade, é importante ter em mente diminuir ao máximo a movimentação do CP com a variação do ângulo de ataque da asa.

Uma asa sozinha é por demais instável para sustentar vôo por si própria. A explicação técnica para isto é que o CP se desloca para trás quando o ângulo de ataque diminui. O deslocamento do CP também aumenta de acordo com a espessura do perfil; da asa. Perfís espessos, de alta sustentação, apresentam um deslocamento do CP bem maior. Geralmente, a um ângulo de ataque igual a zero, o CP se localiza entre 40% e 50% do comprimento da corda, a partir do bordo-de-ataque. Como o CG não se movimenta e o CP se move de acordo com o ângulo de ataque, torna fácil deduzir que, quando um estiver mais afastado do outro, aumentará a força binária (conjunto de forças afastadas entre si que exercem um movimento de rotação em um determinado corpo) que faz com que gire em tomo do seu eixo lateral, o que torna necessária uma outra força que anule o efeito deste binário.

Esta força é provida pelo estabilizador que, não só mantém as asas no seu devido ângulo de ataque como também faz com que ela retome a este ângulo quando a aeronave muda de trajetória no plano vertical (para cima ou para baixo). A área, perfil, formato e ângulo de ataque ou incidência do estabilizador, bem como seu posicionamento na fuselagem, varia de acordo com cada projeto. Sua área (ou superfície), por exemplo, deverá ser maior quanto menor for momento de cauda, que é a distância entre ele e as asas ("momento" é a distância de um determinado ponto onde é exercida uma força, a outro ponto qualquer, como uma alavanca). A área deverá ser menor se o momento de cauda for maior.


Créditos: Sr. Paulo Salvado

               Revista Brasil Modelismo