Aqui na Terra, tendemos a tomar a resistência do ar (aka. “drag”) como um dado adquirido. Apenas assumimos que quando lançamos uma bola, lançamos um avião, deorbitamos uma nave espacial, ou disparamos uma bala de uma arma, que o seu acto de viajar através da nossa atmosfera irá naturalmente retardá-la. Mas qual é a razão para isto? Como é que o ar é capaz de retardar um objecto, seja em queda livre ou em voo?

p>Por causa da nossa dependência das viagens aéreas, do nosso entusiasmo pela exploração do espaço, e do nosso amor pelo desporto e por fazer as coisas no ar (incluindo nós próprios), compreender a resistência do ar é a chave para compreender a física, e uma parte integrante de muitas disciplinas científicas. Como parte da subdisciplina conhecida como fluidodinâmica, aplica-se aos campos da 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 objecto à medida que este passa através do ar. Estas forças de arrastamento actuam em oposição à velocidade do fluxo em sentido contrário, atrasando assim o objecto. Ao contrário de outras forças de resistência, o arrastamento depende directamente da velocidade, uma vez que é a componente da força aerodinâmica líquida que actua em oposição à direcção do movimento.

Outra forma de o dizer seria dizer que a resistência do ar é o resultado de colisões da superfície condutora do objecto com moléculas de ar. Pode portanto dizer-se que os dois factores mais comuns que têm um efeito directo sobre a quantidade de resistência do ar são a velocidade do objecto e a área da secção transversal do objecto. Ergo, tanto a velocidade aumentada como as áreas da secção transversal resultarão numa maior quantidade de resistência do ar.

Em termos de aerodinâmica e voo, o arrastamento refere-se tanto às forças que actuam em oposição ao empuxo, como às forças que trabalham perpendicularmente ao mesmo (isto é, elevação). Na astrodinâmica, o arrastamento atmosférico é tanto uma força positiva como uma força negativa, dependendo da situação. É tanto um dreno de combustível e eficiência durante a descolagem como uma poupança de combustível quando uma nave espacial regressa à Terra a partir da órbita.

Calculando a Resistência do Ar:

Resistência do Ar é normalmente calculada utilizando a “equação de arrasto”, que determina a força experimentada por um objecto que se move através de um fluido ou gás a uma velocidade relativamente grande. Isto pode ser expresso matematicamente como:

Nesta equação, FD representa a força de arrastamento, p é a densidade do fluido, v é a velocidade do objecto em relação ao som, A é a área da secção transversal, e CD é o coeficiente de arrastamento. O resultado é o que se chama “arrasto quadrático”. Uma vez determinado, calcular a quantidade de potência necessária para superar o arrastamento envolve um processo semelhante, que pode ser expresso matematicamente como:

Here, Pd é o poder necessário para superar a força do arrasto, Fd é a força de arrastamento, v é a velocidade, p é a densidade do fluido, v é a velocidade do objecto em relação ao som, A é a área da secção transversal, e Cd é o coeficiente de arrastamento. Como mostra, as necessidades de potência são o cubo da velocidade, por isso, se forem necessários 10 cavalos de potência para ir a 80 kph, serão necessários 80 cavalos de potência para ir a 160 kph. Em suma, uma duplicação da velocidade requer uma aplicação de oito vezes a quantidade de potência.

Tipos de Resistência Aérea:

Existem três tipos principais de resistência aerodinâmica – Lift Induced, Parasitic, and Wave. Cada um afecta a capacidade dos objectos de permanecerem no alto, bem como a potência e o combustível necessários para o manter lá. O arrasto induzido (ou apenas induzido) ocorre como resultado da criação do elevador num corpo de elevação tridimensional (asa ou fuselagem). Tem dois componentes primários: arrasto vortex 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 o elevador. À medida que o elevador aumenta, o mesmo acontece com o arrastamento induzido pela elevação. Para uma aeronave, isto significa que à medida que o ângulo de ataque e o coeficiente de elevação aumenta até ao ponto de paragem, também aumenta o arrastamento induzido pela elevação.

Por contraste, o arrastamento parasitário é causado pelo movimento de um objecto sólido através de um fluido. Este tipo de arrasto é composto por múltiplos componentes, que incluem “arrasto de forma” e “arrasto de fricção da pele”. Na aviação, o arrastamento induzido tende a ser maior a velocidades mais baixas porque é necessário um ângulo de ataque elevado para manter a elevação, de modo que a velocidade aumenta este arrastamento torna-se muito menor, mas o arrastamento parasítico aumenta porque o fluido flui mais rapidamente em torno de objectos salientes aumentando a fricção. A curva de arrasto global combinada é mínima em algumas velocidades e estará na ou perto da sua eficiência óptima.

O arrasto de onda (arrasto de compressibilidade) é criado pela presença de um corpo movendo-se a alta velocidade através de um fluido compressável. Na aerodinâmica, o arrasto por ondas consiste em múltiplos componentes, dependendo do regime de velocidade do voo. Em voo transónico – a velocidades de Mach 0.5 ou superiores, mas ainda inferiores a Mach 1.0 (aka. velocidade do som) – o arrasto de onda é o resultado do fluxo supersónico local.

O fluxo supersónico ocorre em corpos que viajam muito abaixo da velocidade do som, uma vez que a velocidade local do ar num corpo aumenta quando este acelera sobre o corpo. Em suma, os aviões que voam a velocidades transónicas incorrem frequentemente em arrastamento de ondas como resultado. Isto aumenta à medida que a velocidade da aeronave se aproxima da barreira sonora de Mach 1.0, antes de se tornar um objecto supersónico.

Em voo supersónico, o arrastamento de onda é o resultado de ondas de choque oblíquas formadas nos bordos de ataque e de fuga do corpo. Em fluxos altamente supersónicos formar-se-ão ondas de proa. A velocidades supersónicas, o arrastamento de ondas é normalmente separado em dois componentes, o arrasto de ondas supersónicas dependente da elevação e o arrasto de ondas supersónicas dependente do volume.

Compreendendo o papel que as fricções do ar desempenham no voo, conhecendo a sua mecânica, e conhecendo os tipos de potência necessários para a ultrapassar, são todos cruciais quando se trata de exploração aeroespacial e espacial. Saber tudo isto também será crucial quando se trata de explorar outros planetas no nosso Sistema Solar, e noutros sistemas estelares no seu conjunto!

Escrevemos muitos artigos sobre resistência do ar e voo aqui no Universo Hoje. Aqui está um artigo sobre O que é Velocidade Terminal?, Como Voam os Aviões?, Qual é o Coeficiente de Atrito?, e Qual é a Força da Gravidade?

Se quiser mais informações sobre os programas aeronáuticos da NASA, consulte o Guia para Principiantes em Aerodinâmica, e aqui está um link para a Equação de Arrastamento.

Também gravámos muitos episódios relacionados com o Astronomia Fundida. Ouve aqui, Episódio 102: Gravity.