Como os aviões voam: a história do “caminho mais longo” está errada

Em resumo: a história que quase todos nós aprendemos diz que a parte de cima da asa é mais longa, então o ar que passa por cima precisa ir mais rápido para encontrar o ar de baixo no bordo de fuga. A NASA a chama de uma das explicações erradas da sustentação mais difundidas. Nada faz os dois se encontrarem: no túnel de vento, o ar de cima chega lá atrás muito antes do ar de baixo, e as asas planas de um aviãozinho de papel e os aviões de cabeça para baixo também têm sustentação. O que acontece de verdade: o formato e a inclinação da asa desviam o ar para baixo, e o ar empurra a asa para cima. Vista como pressão, ela é mais baixa em cima da asa e mais alta embaixo: a mesma sustentação descrita de dois jeitos, então Bernoulli e Newton estão os dois certos.

A história que quase todos nós aprendemos

Centro de Pesquisa Glenn da NASA: "The theory described on this slide is one of the most widely circulated, incorrect explanations. The theory can be labeled the “Longer Path” theory, or the “Equal Transit Time” theory." (A teoria descrita neste slide é uma das explicações erradas mais difundidas. Ela pode ser chamada de teoria do "caminho mais longo" ou do "tempo de trânsito igual".)

O que ela diz: "The air molecules (the little colored balls on the figure) have farther to travel over the top of the airfoil than along the bottom. In order to meet up at the trailing edge, the molecules going over the top of the wing must travel faster than the molecules moving under the wing." (As moléculas de ar, as bolinhas coloridas da figura, têm mais caminho a percorrer por cima do aerofólio do que por baixo. Para se encontrarem no bordo de fuga, as moléculas que passam por cima da asa precisam ir mais rápido do que as que passam por baixo.)

E ela está em toda parte. O professor Holger Babinsky, da Universidade de Cambridge: "You find it taught in textbooks, explained on television and even described in aircraft manuals for pilots." (Você a encontra ensinada em livros didáticos, explicada na televisão e até descrita em manuais de aeronaves para pilotos.)

Nada faz os dois se encontrarem

NASA Glenn: "This part of the theory attempts to provide us with a value for the velocity over the top of the airfoil based on the non-physical assumption that the molecules meet at the aft end." (Esta parte da teoria tenta nos dar um valor para a velocidade por cima do aerofólio com base na suposição, sem base física, de que as moléculas se encontram na ponta de trás.) E: "Two molecules near each other at the leading edge will not end up next to each other at the trailing edge" (duas moléculas próximas no bordo de ataque não vão terminar lado a lado no bordo de fuga).

No túnel de vento, o ar de cima chega primeiro

A Universidade de Cambridge, em 2012: "Babinsky filmed pulses of smoke flowing around an aerofoil … When the video is paused, it’s clear that the transit times above and below the wing are not equal: the air moves faster over the top surface and has already gone past the end of the wing by the time the flow below the aerofoil reaches the end of the lower surface." (Babinsky filmou pulsos de fumaça passando em volta de um aerofólio… Quando o vídeo é pausado, fica claro que os tempos de trânsito acima e abaixo da asa não são iguais: o ar se move mais rápido pela superfície de cima e já passou do fim da asa quando o fluxo de baixo do aerofólio chega ao fim da superfície inferior.)

A NASA Glenn diz o mesmo: "particles moving over the top arrive at the trailing edge before particles moving under the airfoil." (as partículas que passam por cima chegam ao bordo de fuga antes das que passam por baixo do aerofólio.)

Asas planas e aviões de cabeça para baixo também têm sustentação

NASA Glenn: "Think of a paper airplane. Its airfoil is a flat plate –> top and bottom exactly the same length and shape and yet they fly just fine." (Pense num aviãozinho de papel. O aerofólio dele é uma placa plana, com a parte de cima e a de baixo exatamente do mesmo comprimento e formato, e mesmo assim ele voa muito bem.)

E: "This theory also does not explain how airplanes can fly upside-down which happens often at air shows and in air-to-air combat. The longer surface is then on the bottom!" (Esta teoria também não explica como os aviões conseguem voar de cabeça para baixo, o que acontece muito em shows aéreos e em combate aéreo. A superfície mais longa fica então embaixo!)

O que acontece de verdade: a asa desvia o ar

NASA Glenn, "What is Lift?": "Lift occurs when a moving flow of gas is turned by a solid object. The flow is turned in one direction, and the lift is generated in the opposite direction, according to Newton’s Third Law of action and reaction." (A sustentação acontece quando um fluxo de gás em movimento é desviado por um objeto sólido. O fluxo é desviado numa direção, e a sustentação surge na direção oposta, segundo a Terceira Lei de Newton, da ação e reação.) E: "For an aircraft wing, both the upper and lower surfaces contribute to the flow turning." (Numa asa de avião, tanto a superfície de cima quanto a de baixo contribuem para desviar o fluxo.)

O que desvia o fluxo é o formato da asa e a inclinação dela. NASA Glenn: "The magnitude of the lift generated by the wing depends on the shape of the wing and how it moves through the air." (O tamanho da sustentação gerada pela asa depende do formato da asa e de como ela se move pelo ar.) E: "The angle between the chord line of the airfoil and the flight direction is called the angle of attack. Angle of attack has a large effect on the lift generated by a wing." (O ângulo entre a linha de corda do aerofólio e a direção do voo se chama ângulo de ataque. O ângulo de ataque tem um grande efeito na sustentação gerada por uma asa.)

Babinsky: "What actually causes lift is introducing a shape into the airflow, which curves the streamlines" (o que realmente causa a sustentação é colocar um formato no fluxo de ar, que curva as linhas de corrente).

Vista como pressão, a mesma sustentação

Babinsky descreve o resultado como "lower pressure on the upper surface and higher pressure on the lower surface" (pressão mais baixa na superfície de cima e pressão mais alta na de baixo).

O mito acerta que o ar de cima é mais rápido; só erra a velocidade. NASA Glenn: "Experiment #1 shows us that the flow over the top of a lifting airfoil does travel faster than the flow beneath the airfoil. But the flow is much faster than the speed required to have the molecules meet up at the trailing edge." (O experimento nº 1 mostra que o fluxo por cima de um aerofólio que gera sustentação de fato vai mais rápido que o fluxo por baixo. Mas ele é muito mais rápido do que seria preciso para as moléculas se encontrarem no bordo de fuga.) E: "The upper flow is faster and from Bernoulli’s equation the pressure is lower. … this part of the theory is correct." (O fluxo de cima é mais rápido e, pela equação de Bernoulli, a pressão é mais baixa. … esta parte da teoria está correta.)

Bernoulli e Newton estão os dois certos

NASA Glenn, "Bernoulli and Newton": "From Newton’s third law of motion, a turning action of the flow will result in a re-action (aerodynamic force) on the object. So both “Bernoulli” and “Newton” are correct." (Pela terceira lei do movimento de Newton, desviar o fluxo resulta numa reação, uma força aerodinâmica, sobre o objeto. Então tanto "Bernoulli" quanto "Newton" estão certos.)

E: "Newton’s laws of motion are statements concerning the conservation of momentum. Bernoulli’s equation is derived by considering conservation of energy. So both of these equations are satisfied in the generation of lift; both are correct." (As leis do movimento de Newton tratam da conservação do momento. A equação de Bernoulli é derivada da conservação de energia. Então as duas equações valem quando a sustentação é gerada; as duas estão certas.)

Conclusão

1. A história do caminho mais longo está errada: nada faz o ar de cima e o de baixo da asa se encontrarem de novo, e o ar de cima chega primeiro.
2. A sustentação vem de desviar o ar: o formato e a inclinação dobram o fluxo para baixo, e o ar empurra a asa para cima.
3. Pressão mais baixa em cima e mais alta embaixo é a mesma sustentação vista de outro jeito: Bernoulli e Newton estão os dois certos. Por isso asas planas e aviões de cabeça para baixo também voam.

Fontes

• NASA Glenn Research Center, Beginner's Guide to Aeronautics, Equal Transit Theory Interactive (teoria errada da sustentação)
• NASA Glenn Research Center, What is Lift?
• NASA Glenn Research Center, Bernoulli and Newton
• NASA Glenn Research Center, Effects of Inclination on Lift Interactive
• University of Cambridge, How wings really work (prof. Holger Babinsky, Departamento de Engenharia), 25 de janeiro de 2012

O vídeo é animado com código, e o roteiro foi escrito com ajuda de IA; cada citação acima foi conferida com a fonte. Ilustrativo: o fluxo de ar (as linhas, o pulso de fumaça, o sombreado de pressão e as setas) é calculado com um modelo de escoamento ideal de livro didático, não medido, então mostra o padrão, não os números de uma asa de verdade; o pulso de fumaça é o nosso desenho do que a fumaça do túnel de vento de Babinsky mostra, não a gravação dele; os aviões são desenhos genéricos. O vídeo é narrado em inglês. Feito com o Shotloop, meu app gratuito para Mac de explicativos feitos com código, corrigidos uma cena de cada vez.