miniaturadaimagem|357x357px|Forças de voo em um perfil aerodinâmico. Aerodinâmica, do grego antigo ἀήρ aer (ar) + δυναμική (dinâmica), é o estudo do movimento do ar, particularmente sua interação com um objeto sólido, como uma asa de avião. A aerodinâmica é um subcampo da mecânica dos fluidos. O termo aerodinâmica é frequentemente usado de forma sinônima com a dinâmica do gás, a diferença é que a "dinâmica do gás" se aplica ao estudo do movimento de todos os gases e não se limita ao ar. O estudo formal da aerodinâmica começou no sentido moderno no século XVIII, embora observações de conceitos fundamentais como o arrasto aerodinâmico haviam sido estudados muito mais cedo. A maioria dos primeiros esforços na aerodinâmica foram direcionados para o voo mais pesado do que o ar, que foi demonstrado pela primeira vez por Otto Lilienthal em 1891. Desde então, o uso da aerodinâmica por meio de análises matemáticas, aproximações empíricas, experimentação em túnel de vento e simulações de computador formaram uma base racional para o desenvolvimento de voos de objetos mais pesados do que o ar e uma série de outras tecnologias. O trabalho recente em aerodinâmica se concentra em questões relacionadas ao fluxo compressível, turbulência e camada limite e tem se tornado cada vez mais computacional.
Histórico A aerodinâmica moderna só remonta ao século XVII, mas as forças aerodinâmicas foram aproveitadas pelos humanos durante milhares de anos em veleiros e moinhos de vento e imagens e histórias de voo aparecem ao longo da história registrada , como a lenda da Grécia antiga de Ícaro e Dédalo. Conceitos fundamentais de continuidade , arrasto e gradientes de pressão aparecem no trabalho de Aristóteles e Arquimedes .
Em 1726, Sir Isaac Newton tornou-se a primeira pessoa a desenvolver uma teoria da resistência do ar, fazendo dele um dos primeiros aerodinâmicos. O matemático suíço Daniel Bernoulli seguiu em 1738 com Hydrodynamica em que descreveu uma relação fundamental entre pressão, densidade e velocidade de fluxo para o fluxo incompressível hoje conhecido como o princípio de Bernoulli , que fornece um método para calcular o elevador aerodinâmico. Em 1757, Leonhard Euler publicou as equações Euler mais gerais que poderiam ser aplicadas tanto a fluxos compressíveis quanto incompressíveis. As equações de Euler foram estendidas para incorporar os efeitos da viscosidade na primeira metade do século XIX, resultando nas equações de Navier-Stokes . As equações de Navier-Stokes são as equações governantes mais gerais do fluxo de fluidos e são difíceis de resolver para o fluxo em torno de tudo, exceto as formulas mais simples, como:
Em 1799, Sir George Cayley tornou-se a primeira pessoa a identificar as quatro forças aerodinâmicas do voo ( peso , elevação , resistência aerodinâmica e impulso ), bem como as relações entre eles, e, nesse sentido, delineou o caminho para alcançar um voo mais pesado do que o ar para o próximo século. Em 1871, Francis Herbert Wenham construiu o primeiro túnel de vento , permitindo medidas precisas de forças aerodinâmicas. As teorias de arrasto foram desenvolvidas por Jean le Rond d'Alembert , Gustav Kirchhoff , e Lord Rayleigh. Em 1889, Charles Renard, engenheiro aeronauta francês, tornou-se a primeira pessoa a prever razoavelmente o poder necessário para o voo sustentado. Otto Lilienthal, a primeira pessoa a se tornar bem sucedida com voos de planador, também foi a primeira a propor linhas aéreas curvas e finas que produziriam alta elevação e baixo arrastar. Com base nesses desenvolvimentos, bem como na pesquisa realizada em seu próprio túnel de vento, os irmãos Wright voaram no primeiro avião motorizado em 17 de dezembro de 1903.
miniaturadaimagem|Uma réplica do túnel de vento dos irmãos Wright está em exibição no Virginia Air e Space Center. Os túneis de vento foram fundamentais no desenvolvimento e validação das leis da aerodinâmica.
Durante os primeiros voos, Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta e Nikolai Jukovsky criaram teorias independentes que ligavam a circulação de um fluxo de fluido para levantar. Kutta e Zhukovsky passaram a desenvolver uma teoria bidimensional de asas. Expandindo o trabalho de Lanchester, Ludwig Prandtl é creditado com o desenvolvimento da matemática por trás de linhas de linha fina e linhas de elevação, bem como trabalhar com camadas de fronteira.
À medida que a velocidade da aeronave aumentava, os designers começaram a encontrar desafios associados à compressibilidade do ar a velocidades próximas ou superiores à velocidade do som. As diferenças nos fluxos de ar sob tais condições causam problemas no controle da aeronave, aumento do arraso devido a ondas de choque e a ameaça de falha estrutural por flutter aeroelástico. A proporção da velocidade do fluxo para a velocidade do som foi denominada Número de Mach após Ernst Mach, que foi um dos primeiros a investigar as propriedades do fluxo supersônico. William John Macquorn Rankine e Pierre Henri Hugoniot desenvolveu de forma independente a teoria das propriedades de fluxo antes e depois de uma onda de choque, enquanto Jakob Ackeret liderava o trabalho inicial de cálculo do elevador e arrastamento de linhas aéreas supersônicas. Theodore von Kármán e Hugh Latimer Dryden introduziram o termo transônico para descrever as velocidades de fluxo em torno de Mach 1, onde o arrasto aumenta rapidamente. Esse rápido aumento de arrasto levou os aerodinâmicos e os aviadores a discordar sobre se o voo supersônico era viável até que a barreira do som fosse quebrada pela primeira vez em 1947 usando o avião Bell X-1 .
No momento em que a barreira do som estava quebrada, a compreensão dos aerodinâmicos do fluxo supersónico e do fluxo supersônico amadureceu. A Guerra Fria levou o projeto de uma linha em constante evolução de aeronaves de alto desempenho. A dinâmica de fluidos computacional começou como um esforço para resolver propriedades de fluxo em torno de objetos complexos e cresceu rapidamente até o ponto em que aeronaves inteiras podem ser projetadas usando software de computador, com testes de túnel de vento seguidos de testes de voo para confirmar as previsões do computador. Compreensão de supersônicos e hipersônicos. A aerodinâmica amadureceu desde a década de 1960, e os objetivos dos aerodinâmicos se deslocaram do comportamento do fluxo de fluidos da engenharia de um veículo, de modo que interage de forma pediculada com o fluxo de fluido. O design de aeronaves para condições supersônicas e hipersônicas, bem como o desejo de melhorar a eficiência aerodinâmica dos atuais sistemas de aeronave e propulsão, continua motivando novas pesquisas em aerodinâmica, enquanto o trabalho continua a ser feito em problemas importantes na teoria aerodinâmica básica relacionada à turbulência do fluxo e a existência e singularidade de soluções analíticas para as equações de Navier-Stokes.
Decolagem e aterrissagem thumb|Esquema das quatro forças da aerodinâmica, atuando na asa de um avião.|297x297pxDurante a decolagem da aeronave, existem forças que estão atuando sobre ela.
- Tração da hélice
(Peso da aeronave= massa * gravidade) - A unidade de medida para o peso é a força, que no Sistema internacional de Unidades (SI) é o Newton. (Força de atrito = letra mi * Normal)
(Força de sustentação = força de arrasto= coeficiente de sustentação ou arrasto * (densidade do ar/2 ) * área da asa (m²) * (velocidade de voo²)) Se tratando de aerodinâmica, a magnitude desta força depende de todas as partes do avião, mais a quantidade de combustível, mais toda a carga (pessoas, bagagens, etc.). O peso é gerado por todo o avião. Mas nós podemos simplesmente imaginá-la como se atuasse num único ponto, chamado centro de gravidade, neste caso é onde se concentram todas as foças do avião. Em voo, o avião gira sobre o centro de gravidade, e o sentido da força do peso dirige-se sempre para o centro da terra. Durante um voo, o peso do avião muda constantemente à medida que o avião consome combustível. A distribuição do peso e do centro de gravidade pode também mudar, e por isso o piloto deve constantemente ajustar os controles, ou transferir o combustível entre os depósitos, para manter o avião equilibrado.
Sustentação
Para fazer um avião voar, deve ser gerada uma força para compensar o peso. Esta força é chamada sustentação e é gerada pelo movimento do avião através do ar.
A sustentação é uma força aerodinâmica ("aero" significa ar, e " dinâmica" significa movimento). A sustentação é perpendicular (em ângulo reto) à direção do escoamento incidente (vento). O escoamento incidente e o sentido/direção do voo não são necessariamente os mesmos, sobretudo em manobras. Tal como acontece com o peso, cada parte do avião contribui para uma única força de sustentação, mas a maior parte da sustentação do avião é gerada pelas asas. A sustentação do avião funciona como se atuasse num único ponto, chamado centro de pressão. O centro de pressão é definido tal como o centro de gravidade, mas usando a distribuição da pressão em torno de toda a aeronave, em lugar da distribuição do peso. No centro de pressão atuam somente forças. Além do centro de pressão, outro ponto no aerofólio é de grande importância no projeto de uma aeronave: o centro aerodinâmico. Neste, além das forças, surge um momento chamado Momento de Arfagem. O coeficiente de momento de arfagem não varia quando variamos o ângulo de ataque. O coeficiente de momento é um coeficiente adimensional que qualifica e quantifica se, para certo aerofólio, há um momento picante ou cabrante sobre o engaste da asa. Este momento é fundamental, por exemplo, na determinação das cargas aerodinâmicas para definição da estrutura e para o projeto de sistemas de controle, como o profundor.
Conceitos fundamentais Compreender o movimento do ar em torno de um objeto (geralmente chamado de campo de fluxo) permite o cálculo de forças e momentos que atuam sobre o objeto. Em muitos problemas aerodinâmicos, as forças de interesse são as forças fundamentais do voo: elevação, arrasto, impulso ( I= Δp, Δp = FΔt , logo temos que Δp (variação de momento),Δt (variação de tempo)) e sustentação.
Destes, levantar e arrastar são forças aerodinâmicas, ou seja, forças devido ao fluxo de ar sobre um corpo sólido. O cálculo dessas quantidades é muitas vezes baseado no pressuposto de que o campo de fluxo se comporta como um continuum. Os campos de fluxo continuo são caracterizados por propriedades como velocidade do fluxo, pressão, densidade e temperatura, que podem ser funções de posição e tempo. Essas propriedades podem ser medidas direta ou indiretamente em experimentos aerodinâmicos ou calculadas a partir das equações para conservação de massa, momentum e energia nos fluxos de ar. A densidade, a velocidade do fluxo e uma propriedade adicional, a viscosidade, são usadas para classificar os campos de fluxo.
Classificação de fluxo miniaturadaimagem|296x296px|Diferentes tipos de análise de fluxo em torno de um perfil aerodinâmico: Teoria do fluxo potencial (BRANCO) Teoria do fluxo da camada de fronteira (LARANJA) Análise turbulenta da vigília (ROXO) thumb|220px|direita|Modelo em escala de um caça F-18 num túnel de vento. A velocidade do fluxo é usada para classificar os fluxos de acordo com o regime de velocidade. Os fluxos substanciais são campos de fluxo em que o campo de velocidade do ar está sempre abaixo da velocidade local do som. Os fluxos transônicos incluem ambas as regiões de fluxo subsônico e regiões em que a velocidade de fluxo local é maior que a velocidade local do som. Os fluxos supersônicos são definidos como fluxos em que a velocidade do fluxo é maior do que a velocidade do som em todos os lugares. Uma quarta classificação, fluxo hipersônico, refere-se a fluxos onde a velocidade de fluxo é muito maior do que a velocidade do som. Os aerodinâmicos discordam da definição precisa do fluxo hipersônico.