Este ar que respiramos, e no qual voamos! – Parte I

Os gregos, com seu conhecimento intuitivo, definiam o ar como um dos quatro elementos que, juntamente com a terra, a água, e o fogo, compunham toda a natureza. Só...
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Os gregos, com seu conhecimento intuitivo, definiam o ar como um dos quatro elementos que, juntamente com a terra, a água, e o fogo, compunham toda a natureza. Só recentemente, com o estudo das propriedades especiais dos gases em altíssima temperaturas, a ciência lhes deu razão, acrescentando aos estados sólido, líquido e gasoso, o plasma, como quarto estado da matéria.

Aos gregos também devemos as raízes da palavra atmosfera, que usamos para designar esta camada gasosa que envolve o nosso planeta e os nossos corpos, ou seja, o ar que respiramos.

Ao respirá-lo, sentimos apenas que ele é tênue, suave, inodoro e, à primeira vista, incolor. Será que estamos certos? Apenas em parte. Realmente nossas células olfativas não foram feitas para senti-lo, pois do contrário o seu cheiro predominaria sobre tudo.

Assim, o ar é inodoro para nós e provavelmente para todos os demais seres aeróbios que o respiram para poder viver. Quanto ao resto, estamos redondamente enganados.

Então o ar tem cor? Sim, basta observarmos que as montanhas no horizonte são tão mais azuis quanto mais distantes. Ou então basta olharmos para cima para vermos o azul celeste em todo o seu esplendor.

Este azul, que aos poucos irá se escurecendo até se torna negro como a noite, ao sairmos da atmosfera a bordo de um foguete, deixando para trás esta grande esfera azul, inspirou Caetano Veloso a compor “terra” ao ver as primeiras fotos tiradas pelos astronautas.

Nestas, predomina o azul escuro dos oceanos e o branco das nuvens, mal se podendo notar o marrom dos continentes, mas se observarmos bem, poderemos ver nas bordas iluminadas da Terra, um fino traço azul claro contrastando com o negro do espaço sideral.

Ela, a atmosfera esta fina e tênue camada gasosa, é formada basicamente por nitrogênio (78%) e oxigênio (20%), pois dos demais gases, somente o vapor d’água merece alguma menção, e só nos dias quentes e úmidos.

Fina? Sim, 90% da atmosfera estão contidos nos primeiros 16 quilômetros de altitude, o que, comparado aos 12.000 Km do diâmetro da Terra, é quase nada.

E tênue? Será? Depende.

Em repouso, o ar pode até ser considerado tênue, mas em movimento vai deixando de sê-lo… a 100 km/h, já irá exercer uma força de 48 Kgf sobre cada metro quadrado de superfície que colocarmos tentando barrar o seu movimento (Obs: O leitor menos versado em sistemas de unidades físicas deve ler kgf como quilo, e estamos conversados).

A 200 km/h esta força já está de 193 Kgf. e será multiplicada por quatro a cada vez que dobrarmos a velocidade.

Ao atingirmos 1.200 Km/h veremos este ar aparentemente tênue quase transformar-se numa parede sólida. É o fenômeno batizado na década de 40 como a “barreira do som”, tão temida pelos primeiros pilotos que tentaram dela se aproximar!

Para entendermos como isto acontece, precisaremos conhecer mais intimamente este grande companheiro de nossos voos. Mas põe intimidade nisso, é preciso entrar em sua “alma”!

Vamos pegar um pequeno cubinho de ar de 1 mm de lado, e ampliar 10.000,00 de vezes! Pô meu, dez milhões de vezes, mas que exagero!

É isso mesmo, pois agora passarmos a medir as coisas não em milímetros, mas em angström. O que é isso? Um angström representa uma distância ínfima, tão ínfima que num milímetro cabem dez milhões deles.

E a primeira coisa que iremos encontrar em nosso cubinho de ar ampliado é… pasmem senhores: um grande vazio!

Mas não é só vazio, é claro. Em média, a cada 30 angströme vamos encontrar bolinhas duplas com a forma aproximada de um halteres, que são as moléculas dos gases que compõem o ar e que no caso do nitrogênio, por exemplo, medem quatro angströme.

Um fato que dá uma ideia de como as moléculas são pequenas é que existem mais moléculas de ar dentro dos nossos pulmões do que litros de ar em toda a atmosfera terrestre.

Isso permite afirmar, entre outras coisas, que dentro dos pulmões do leitor existe, com certeza (certeza estatística baseada nas leis de difusão de gases e no tempo decorrido), pelo menos uma molécula de nitrogênio que também já foi respirada pelo faraó Tutankamon durante sua curta vida no antigo Egito!

Mas voltando ao nosso exame vamos constatar que estas moléculas não estão paradas, mas sim movendo-se desordenadamente em todas as direções possíveis, e chocando-se umas com as outras (um choque, em média, após cada 600 agnströme).

Algumas estão quase que paradas, enquanto outras deslocam-se, por exemplo, a 3.000 km/h.

Já a velocidade resultante, ou média de todas elas, será por exemplo, zero para o ar em repouso dentro de uma sala, ou de 18 Km/h  na direção horizontal e sentido sul para um vento norte de 10 nós, e assim por diante.

Isto se considerarmos nesta média considerarmos apenas os valores destas velocidades, obteremos em ambos os casos acima o valor de 1.800 Km/h (média quadrática).

Finalmente, a média dos valores das velocidades projetadas numa direção , e tomados num único sentido, será da ordem de 1.224 Km/h.

Esta não é a velocidade do som? Sim, qualquer perturbação no ar só se propaga por meio de choques entre suas moléculas e, portanto, esta será a sua velocidade de propagação, e o som nada mais é do que uma perturbação repetida numa certa frequência.

Nos não podemos ver as ondas sonoras no ar, mas elas se espalham de modo muito parecido como as ondas formadas numa superfície de água calma quando a perturbamos atirando uma pedra.

E, tal como um barco ao se deslocar mais rápido do que a velocidade de propagação destas ondas as empilha na proa deixando para traz um “V” de marola, assim também um objeto deslocando-se na velocidade acima da do som deixa para trás de si um cone de onda de choque.

E, assim como a marola de um barco é tanto maior quanto maior for o barco e mais veloz e mais perto ele passar, assim também, o “bang” produzido no solo por um avião supersônico será tanto maior quanto maior e mais veloz for o avião e mais baixo ele passar, podendo até mesmo estilhaçar vidraças.

Os valores até aqui mencionados de distancia e velocidade valem para o ar a uma temperatura  de  graus C e ao nível do mar, onde o ar é mais denso pressionado pelo seu próprio peso.

A medida que vamos subindo em altitude, o ar vai ficando cada vez mais rarefeito, ou seja teremos menos moléculas por unidade de volume. A 4.000 metros de altitude, o número de moléculas de oxigênio, embora continue a ser os mesmos 20% do total, como no nível do mar, já começa a ser insuficiente para o funcionamento correto de nossos pulmões.

Daí a necessidade de se aumentar o seu número, seja como o uso de mascaras com oxigênio, ou seja, aumentando a pressão ambiente, ou pressurização. Acima de 15.000m, o número de molécula cai tanto que até mesmo as existentes em forma líquida em nosso corpo começam a se evaporar e ocupar os vazios, sendo então, absolutamente necessária a pressurização da cabine.

Porem, mesmo lá onde já orbitam os satélites artificiais, ainda iremos encontrar moléculas desgarradas de nossa atmosfera. Coitadinhas, estão tão isoladas que na altura de 400 KM, por exemplo, irão somente se chocar a cada 10 quilômetros percorridos, o que é muito para quem estava acostumado a encontrar-se caminhando apenas alguns angstrom.

Apesar de poucas, são elas, ajudadas por partículas atômicas emitidas pelo sol, as responsáveis com os seus choques pela redução gradativa da velocidade dos satélites de orbita “baixa”, trazendo-os de volta à Terra inexoravelmente.

Desde a antiguidade, o homem, notando a “força” do ar em movimento, mesmo ainda sem compreende-la devidamente, colocou-a a seu serviço construindo moinhos de vento, barcos a vela, etc.

Só bem mais tarde, no século XVIII usando os primeiros conhecimentos já obtidos por Torricelli no século XVI, o ar foi usado para vencer a atração da gravidade, fazendo subir os primeiros balões.

Já a natureza nunca se fez de rogada para usar e abusar do ar como aliado e assim obter desde o transporte aéreo de sementes, como as da paineira, até a locomoção de animal inaugurada pelos insetos primitivos, e seguida entre os animais vertebrados pelos pterosauros, estes já há 200 milhões de anos!

Observando a natureza e os pássaros como o condor e seus “winglets”, o homem, este eterno invejoso, decidiu que poderia também voar, o que hoje fazemos da mais diferentes e estranhas maneiras em balões, asas-deltas, paragliders, trikes, planadores, aviões, helicópteros e foguetes.

Hoje, também, já pudemos elaboras as ciências chamadas aerostática e aerodinâmica, das quais iremos abordar alguns conceitos básicos, de modo simplificado e aproveitando o nosso conhecimento “intimo” do ar.

“Barys”, flutuando no ar

Um primeiro princípio básico é que, toda força exercida pelo ar sobre qualquer corpo nele imerso decorre única e exclusivamente dos choques de suas moléculas contra as superfícies externas ou internas deste corpo.

Uma consequência deste principio é que todas estas forças aerodinâmicas ou aerostáticas – não importa se as chamemos de sustentação, empuxo, arrasto, etc. – irão depender apenas da quantidade de moléculas e das velocidades do choque entre estas e as superfícies, esteja corpo ou o ar em repouso ou em movimento.

Todas estas forças são aplicadas na superfície e podem ser reduzidas a apenas duas componentes: uma perpendicular à superfície, gerando o que chamamos de pressão, e outra paralela à ela, gerando o que chamamos de fricção.

Aperte a mão contra a outra e você sentirá o que é pressão, esfregue uma mão contra a outra e você sentirá a fricção.

Simples assim? É. Tudo o mais é era questão de dar nomes diferentes para bois que são de duas raças, ou seja: ou só zebus, ou só holandeses.

Ah, mas e aquele tal de “arrasto induzido”? Ainda chegaremos lá.

Comecemos pelas forças de pressão exercidas pelo ar… “parado”! Já vimos que as moléculas do ar nunca param. E se não sentimos a sua pressão é porque elas nos bombardeiam por todos os lados igualmente.

Tampe a boca com a palma da mão e aspire parte do ar da boca para os pulmões. Você terá mais moléculas de ar se chocando pelo lado de fora do que pelo lado de dentro de sua mão, que será então pressionada (ou chupada) por uma força de fora para dentro.

Se conseguíssemos aspirar todas as moléculas de dentro da boca (nossos músculos do tórax estão muito longe desta façanha) esta força seria, ao nível do mar e a 15 graus, de 1 Kgf por metro quadrado que é a pressão, quer chamamos de um “bar” ou de uma atmosfera.

Como vimos o número de moléculas cai com a altitude e portanto o mesmo ocorre com a pressão doo ar mesmo para pequenas variações de altitude.

Assim, em qualquer corpo a pressão atmosférica sobre a superfície de baixo será sempre maior do que a pressão na superfície de cima e haverá sempre uma força ainda que pequena, proporcional ao volume do corpo empurrando-o para cima, levemente.

Tomemos um corpo bem leve, por exemplo, uma bola bexiga cheia de ar. Por que então ela não sobe? Porque esta força é exatamente igual ao peso das moléculas de ar que estão dentro da bexiga (peso este que faz a pressão interna também ser maior na superfície inferior do que na superior anulando a força externa) e assim, devido ao peso adicional da borracha, a bexiga cai.

Se substituirmos as moléculas de ar dentro da bexiga por moléculas de ar dentro da bexiga por moléculas de hidrogênio ou hélio, que são mais leves do que as de nitrogênio e de oxigênio, a soma do peso do gás interno (ou da diferença de pressão interna) com o peso da bexiga será menor que o empuxo atmosférico, e então a bexiga irá subir, e muito, para desespero do guri que não segurar o barbante.

Aquecendo-se o ar, fornecendo lhe energia em forma de calor, aumentamos as velocidades de suas moléculas e o impacto dos choques entre elas fica mais forte, afastando-as uma das outras de modo que teremos menos moléculas por unidade de volume. Ou seja, o ar fica mais “leve” ou menos denso.

É o que fazemos nos balões de ar quente e, tal como no caso da bexiga, reduzimos o p eso do ar interno, para que o balão suba, empurrando pela diferença das pressões externas.

“dynamis” o ar em movimento

Agora que já temos alguma ideia sobre as forças do ar em repouso, vamos procurar entender o que acontece com ele em movimento, ou quando nele nos movimentamos, o que, como já vimos, dá no mesmo.

Os livros de aerodinâmica e os cientistas, por usarem tuneis de vento para verificar suas teorias, consideram que quase sempre os corpos parados e o ar em movimento.

Já para nós que somos pilotos, ficará talvez mais fácil se abordarmos as coisas do ponto de vista inverso, ou seja, nós é que voamos no ar parado, ou quase…(a velocidade do vento e da turbulência é geralmente bem menor que a nossa).

Para isto, o melhor que fazemos é esquecer o ar real com suas moléculas e considerar um ar teórico formado por “partículas” de ar muito pequenas, mas suficientemente grandes de modo que contenham milhões de moléculas.

Assim poderemos, “esquecendo” as velocidades individuais das moléculas, considerar apenas considerar o valor médio estatístico (em valor, direção e sentido) na partícula e que chamaremos simplesmente de velocidade do ar.

Isto não é difícil, porque também as células nervosas da nossa pele, sendo muito maiores que as moléculas de ar, não nos transmitem os impactos das moléculas, que são “reais”, mas apenas a media dos seus efeitos em cada célula, ou seja, o que sentimos é o impacto das partículas, que são “irreais”! Bah, tchê!

Mas é bom que não esqueçamos disso, pois muitos livros tratam as partículas de ar como entes físicos…

Enfim, já vi livros que até afirmam que o arrasto induzido é resultado da energia gasta pelos vórtices de ponta de asa! Para não falar nas “barbaridades” contidas na descrição que algumas enciclopédias (até recentes) fazem sobre o vôo de um avião.

O fundamental em aerodinâmica é que: a toda e qualquer variação de velocidades das partículas de ar (ou da media das velocidades moleculares) provocada por um corpo, corresponderá sempre uma força exercida pelo ar sobre este corpo na direção e sentido oposto a esta variação e… vice-versa. Complicado?

imagem ilustrativa – fonte A.S. by Skydive

Isto é simplesmente outra maneira de se enunciar um dos princípios básicos da física, de que a toda ação corresponde uma reação igual ou contrária, e, que como veremos adiante, irá tornar mais claro os fenômenos ligados ao voo.

É importante anotar que a mesma força aerodinâmica poderá ser obtida tanto deslocando-se um pequeno volume (quantidade) de ar com alta velocidade como um grande volume de ar com baixa velocidade.

Mas, apesar de a força ser a mesma, menores volumes e maiores velocidades significam maiores potencias envolvidas, pois, como já sentimos nas pernas ao empurrar um carro sem bateria para que pegue, a potencia exigida para aplicação de uma força é proporcional à velocidade desta aplicação.

E muito cuidado, já nos alertava “Herr” Schrenk, nosso mestre alemão nos idos de 58 no ITA, aos nos indicar suas sutilezas da aerodinâmica: “pois FFFFFF”, fazia assoprando o ar, “é muito diferente de “HSHSHS”, fazia chupando o ar.

Realmente, ao assoprarmos criamos um jato cilíndrico de ar, com o qual podemos apagar um fosforo aceso mesmo a uma distancia de 30 cm. Já ao aspirarmos, mesmo com os lábios fazendo “biquinho”, o ar penetra vindo de todas as direções, e este movimento somente poderá ser observado a curta distância, tão curta que para fazê-lo é mais prudente trocar o fosforo aceso, pela ponta de um dedo…
Continua…

Texto por Francisco Leme Galvão

 

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