WELLINGTON LUIZ DA RESSURREIÇÃO RODRIGO...
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FACULDADE DE CIENCIAS AERONAUTICAS TECNOLÓGICO EM PILOTAGEM PROFISSIONAL DE AERONAVES
WELLINGTON LUIZ DA RESSURREIÇÃO RODRIGO BRAGUETTO
FFOORRÇÇAASS AAEERROODDIINNÂÂMMIICCAASS
Curitiba Pr Ano 2008
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WELLINGTON LUIZ DA RESSURREIÇÃO RODRIGO BRAGUETTO
FFOORRÇÇAASS AAEERROODDIINNÂÂMMIICCAASS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação: Curso Superior de Tecnologia em Pilotagem Profissional de Aeronaves, da Universidade Tuiuti do Paraná – Faculdade de Ciências Aeronáuticas, como parte das exigências para a obtenção do título de
Orientador: Rosana Mattioda
Curitiba Pr Ano 2008
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TERMO DE APROVAÇÃO
AUTOR
TÍTULO
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado e aprovado para obtenção do Título de Tecnólogo em
Pilotagem Profissional de Aeronaves da Faculdade de Ciências Aeronáuticas da Universidade Tuiuti do
Paraná.
Curitiba, 09 de Dezembro de 2008
_________________________________
Tecnologia em Pilotagem Profissional de Aeronaves
Nome do Coordenador
Faculdade de Ciências Aeronáuticas Universidade Tuiuti do Paraná
Orientador: _______________________________
Rosana Adami Mattioda
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SUMÁRIO LISTA DE FRIGURAS.... ....................................................................06 RESUMO..............................................................................................07 ABSTRACT..........................................................................................08 1. INTRODUÇÃO...............................................................................09 1.1 QUESTÃO PROBLEMA..........................................................09 1.2 OBJETIVO.................................................................................09 1.3 JUSTIFICATIVA........................................................................09 1.4 MÉTODOLOGIA......................................................................10 2. FUNDAMENTAÇÃO TEORICA ..................................................10 2.1 AERODINAMICA....................................................................11
2.2 VOO RETO E NIVELADO.......................................................11 2.3 EMPUXO.................................................................................13
2.4 ARRASTO...............................................................................14 2.4.1 ARRASTO DE ATRITO.......................................................15 2.4.2 ARRASTO DE FORMA.......................................................16 2.4.3ARRASTO INDUZIDO.........................................................16 3. LINHAS AERODINAMICAS.......................................................16
4. PESO...........................................................................................17 5. SUSTENTAÇÃO........................................................................18
5.1 COMO A SUSTENTAÇÃO É CRIADA?.................................19 5.2 FLUIDOS..................................................................................21 6. PRINCIPIOS DA AERODINAMICA............................................22 6.1 CURVATURA...........................................................................23 6.2 DEFLEXÃO..............................................................................23 6.3 ÂNGULO DE ATAQUE...........................................................24 7. DISPOSITIVOS DE ALTA SUSTENTAÇÃO............................25 7.1 FLAPE.....................................................................................26 7.2 ALETA.....................................................................................27 7.3 SLOT.......................................................................................27 7.3 SLAT.......................................................................................27 11. CONCLUSÃO..............................................................................28
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12. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..........................................29
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Lista de figuras
Figura 1 ...................................................................................................página 12.
Ilustra as forças aerodinâmicas: empuxo, arrasto, peso e sustentação.
Figura 2 ...................................................................................................página 15.
Auxilia na compreensão dos tipos de arrasto, mínimo, médio e grande arrasto.
Figura 3 ...................................................................................................página 19.
Explicação da sustentação.
Figura 4......................................................................................................página 20.
Áreas atingidas pelo ar em uma asa.
Figura 5.......................................................................................................página 25.
Ângulo de ataque.
Figura 6 ....................................................................................................... página 26.
Tipos de Flap.
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RESUMO O objetivo geral da pesquisa é demonstrar os aspectos de forças que atuando conjuntamente na aeronave possibilita-a de se manter estável, descrevendo como cada força aerodinâmica atua em um vôo. Explicaremos o empuxo, arrasto, peso e sustentação frisando como cada um atua na aeronave. Palavra chave: Aeronave, forças aerodinâmicas e sustentação.
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ABSTRACT
The aim of the research is to demonstrate aspects of forces acting together in the aircraft that allows it to remain stable, describing how each aerodynamic forces acting on a flight. Explain the thrust, drag, weight and support emphasizing how each operates the aircraft.
Keyword: Aircraft, aerodynamic forces and support.
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1. INTRODUÇÃO
O presente trabalho faz um breve relato das forças atuantes em uma aeronave,
ressaltando noções necessárias para a compreensão do estudo, tais como: O que é
aerodinâmica, seus princípios, características para um vôo estável, quais são os tipos de
aerofólios usados para cada tipo de vôo, ângulos de ataque, do que depende um aerofólio
para sustentar um avião, arrasto induzido, alongamento das asas, e explicar os arrastos
que gera cada parte do avião.
1.1 QUESTÃO PROBLEMA
Quais são as forças e como elas podem atuar conjuntamente possibilitando a aeronave
de obter sustentação e voar?
1.2 OBJETIVOS
O objetivo geral da pesquisa é demonstrar os aspectos de forças que atuando
conjuntamente na aeronave possibilita-a de se manter estável, descrevendo como cada
força aerodinâmica atua em um vôo.
1.3 JUSTIFICATIVA
O presente trabalho faz um breve relato das forças atuantes em uma aeronave,
ressaltando noções necessárias para a compreensão do estudo, tais como: O que é
aerodinâmica, seus princípios, características para um vôo estável, quais são os tipos de
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aerofólios usados para cada tipo de vôo, ângulos de ataque, do que depende um aerofólio
para sustentar um avião, arrasto induzido, alongamento das asas, e explicar os arrastos
que gera cada parte do avião.
1.4 METODOLOGIA
A natureza do estudo é qualitativa, tendo em vista que serão mostrados quadros e tabelas
para caracterizar os dados referentes aos resultados obtidos em vôo.
A pesquisa é exploratório, explicativo e avaliativo. É exploratório, pois tem por objetivo
descobrir as informações e razões que favoreceram a descoberta da força aerodinâmica.
É explicativo no sentido de não somente apresentar os aspectos acima citados, mas
contextualizar a pesquisa para se fazer entender a ciência.
Por último, o caráter avaliativo da pesquisa está fundamentado na análise dos resultados
obtidos pela força aerodinâmica e sua importância na hora do vôo.
FUNDAMENTAÇÃO TEORICA
Iniciaremos o trabalho com o estudo das principais forças atuantes em uma aeronave.
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2.1 AERODINAMICA
É o estudo das forças que atuam sobre um objeto em movimento no ar que o envolve. As
forças aerodinâmicas agem sobre aeronaves, barcos a vela, automóveis, ou qualquer
outro objeto que se desloque no ar.
O estudo da aerodinâmica foi a condição necessária para a construção dos primeiros
aviões. Atualmente, a indústria aeronáutica usa os princípios aerodinâmicos ao projetar
qualquer tipo de avião.
2.2 VOO DIRETO E NIVELADO
Para um avião voar em linha reta e nivelado as seguintes relações devem ser
verdadeiras:
Empuxo = Arrasto
Sustentação = Peso
Se o arrasto superar o empuxo, o avião vai perder velocidade. Se o empuxo aumentar e
superar a força de arrasto, o avião vai acelerar.
Da mesma forma, se a sustentação for menor que o peso do avião, o avião descerá. Ao
aumentar a sustentação, o piloto faz o avião subir.
As quatro forças atuando em um avião em vôo são:
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1- Sustentação,
2- Empuxo,
3- Peso e
4- Arrasto
Vôo direto significa que o nariz do avião permanece apontado
em uma direção e as asas estão paralelas ao horizonte da terra.
Vôo nivelado significa que o avião não ganha nem perde altitude
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2.3 EMPUXO
O empuxo é a força que atua para a frente, produzida por uma hélice que gira o motor.
Para a maioria, quanto maior o motor (significando mais potência), maior o empuxo
produzido e maior a velocidade do avião, até certo ponto. O movimento para a frente
sempre gera uma penalidade aerodinâmica chamada arrasto. O empuxo faz com que o
avião acelere, mas o arrasto determina sua velocidade final. À medida que a velocidade
do avião aumenta o arrasto também aumenta. Por causa da alteração da natureza,
duplicar a velocidade do avião na verdade quadruplica o arrasto. Finalmente, a tração
para trás do arrasto iguala o empuxo do motor e uma velocidade constante é obtida.
2.4 ARRASTO
É uma força aerodinâmica que opõe resistência ao movimento de um objeto para diante.
A forma do objeto aumenta a força de arrasto. Aos objetos fabricados com formas
destinadas a produzir o mínimo possível de arrasto damos o nome de aerodinâmicos. Os
projetistas da indústria aeronáutica, desenham os aviões de modo a reduzir ao mínimo o
arrasto. Os aviões construídos segundo esses princípios precisam de motores menos
potentes para voar, e a redução do arrasto também melhora o desempenho do avião.
Outros meios de transporte também estão sujeitos ao arrasto.
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É para reduzir o arrasto que logo após a decolagem um avião de recolhe o trem de pouso,
guardando-o na fuselagem (o corpo) do avião, assim o piloto do avião quer tornar a
aeronave o menor possível para reduzir o arrasto. A quantidade de arrasto produzida pelo
trem de pouso de um jato é tamanha que, em velocidade de cruzeiro, o trem de pouso
seria arrancado do avião. Notamos na figura a seguir que o arrasto depende não da parte
frontal do objeto, mas sim, da parte traseira do mesmo causando turbulência (*) atrás do
objeto “ puxando-o” para frente.
Na figura apresentada abaixo, percebe-se que o arrasto depende da forma do objeto.
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Figura 2
Existem dois tipos de arrasto – arrasto de atrito e arrasto de forma agem sobre todos os
objetos em movimento. Um terceiro tipo, arrasto induzido, só afeta os aviões. Existe ainda
outra espécie de arrasto, que resulta quando um avião voa em velocidade superior à do
som.
2.4.1 ARRASTO DE ATRITO é o que ocorre junto à superfície de um objeto. É produzido
numa fina camada de ar, chamada camada limite. O atrito resulta do deslizamento de
uma camada de fluido sobre outra camada. As moléculas de ar da camada limite movem-
se em: Vias regulares paralelas à superfície; ou vias irregulares.
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2.4.2 ARRASTO DE FORMA é o que se observa quando o ar passa ao longo do objeto e
em certo ponto, se afasta dele. Este tipo de arrasto produz turbilhões de ar que subtraem
energia ao objeto e retardam seu movimento. O arrasto de forma pode ocorrer com
objetos que não sejam aerodinâmicos.
(*) A rigor o arrasto não é produzido pela turbulência em si, mas pela redução da pressão atrás dos objetos.
Os engenheiros reduzem o arrasto de forma tornando o objeto aerodinâmico. Eles
também colocam geradores de vórtices nas asas dos aviões. Estes dispositivos são
pequenos aerofólios fixados em longas fileiras no ponto de uma asa principal. Os
geradores produzem pequenos redemoinhos, para evitar que o ar se afaste da asa.
2.4.3 ARRASTO INDUZIDO
A diferença de pressão acima e abaixo de um aerofólio cria no ar uma tendência a fluir em
direções opostas ao longo das asas, segundo o comprimento dessas. O ar da face inferior
das asas tende a fluir para fora, o ar do topo das asas tende a fluir para dentro. Os físicos,
chamam a esse movimento de corrente de envergadura.
3. LINHAS AERODINÂMICAS
Dá-se esse nome às linhas com que se desenha um corpo ou à sua conformação para
que encontre um mínimo de resistência ao se deslocar através de um fluido (líquido ou
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gás). A melhor forma aerodinâmica para um corpo depende de sua velocidade através do
fluido. Se for menor que a do som, convém que seja mais arredondado na frente e que se
vá afilando para trás. É a forma com que observamos nos submarinos e nos aviões
supersônicos.
Os efeitos da linha aerodinâmica podem ser medidos em um túnel aerodinâmico. Afora as
linhas aerodinâmicas, três outros fatores afetam o arrasto: a densidade do fluido, a
proporção da área do corpo que entra em contato com o fluido e a velocidade do corpo
através do fluido. A força de arrasto dobra se dobrar a densidade do fluido ou a área do
corpo que entra em contato com o fluido. Quando dobra a velocidade do corpo, a força de
arrasto é multiplicada por quatro.
4. PESO
O peso neste caso é uma força que é sempre dirigida para o centro do avião: trata-se da
força da gravidade. 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.
Em vôo, 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 vôo, o peso do avião muda constantemente à
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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
5. SUSTENTAÇÃO
È uma força aerodinâmica produzida pelo movimento de um aerofólio (asa) através do ar.
A sustentação dá a um aeroplano a capacidade de subir no ar e aí se manter durante o
vôo. Um aerofólio que se move no ar produz a sustentação porque exerce em sua
superfície inferior uma pressão maior do que na superfície superior. Um aerofólio cria
essa diferença de pressão por causa de sua forma especial, chamada curvatura, e da
deflexão (desvio) do ar. A quantidade de sustentação produzida por uma asa depende em
parte de seu ângulo de ataque e de seus dispositivos de alta sustentação.
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Figura 3
5.1 COMO A SUSTENTAÇÃO É CRIADA
A sustentação é uma força em uma asa (ou qualquer outro objeto sólido) imersa em um
fluido em movimento, e atua de forma perpendicular ao fluxo do fluido (arrasto é a mesma
coisa, só que atua paralelamente à direção do fluxo de fluido). A força líquida é criada por
diferenças de pressão geradas por variações na velocidade do ar em todos os pontos ao
redor da asa. Essas variações de pressão são causadas pela interrupção e pelo desvio do
fluxo de ar que passa pela asa. A distribuição de pressão medida em asas tradicionais se
assemelha ao seguinte diagrama:
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figura 4
A. o ar aproximando-se da parte superior da asa é comprimido no ar acima dele,
conforme se desloca para cima. Assim, visto que a parte superior se curva para
baixo e para longe do fluxo de ar, uma área de baixa pressão é desenvolvida - e o
ar acima é empurrado para baixo, em direção à traseira da asa;
B. o ar que se aproxima da superfície inferior da asa é retardado, comprimido e
redirecionado em um trajeto descendente. Conforme o ar se aproxima da parte
traseira da asa, ele acelera e a pressão gradualmente se equipara àquela do ar
deslocando-se para cima. Os efeitos totais da pressão encontrados na parte
inferior da asa em geral são menos perceptíveis do que aqueles na parte superior
da asa;
C. componente de sustentação;
D. força líquida;
E. componente de arrasto.
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Ao adicionar todas as pressões que atuam sobre a asa (por todo o lugar), obtém-se a
força absoluta na asa. Parte dessa sustentação vai levantar a asa (componente de
sustentação) e o restante serve para desacelerar a asa (componente de arrasto).
Como a quantidade de fluxo de ar desviado pela asa aumenta, as diferenças de
velocidade e pressão entre as partes superior e inferior se tornam mais evidentes,
aumentando a sustentação. Há muitas maneiras de aumentar a sustentação de uma asa,
tal como aumentar o ângulo de ataque ou a velocidade do fluxo de ar. Esses e outros
métodos são explicados em detalhes mais adiante, neste artigo.
5.2 FLUIDOS
Como mencionamos, um dos principais conceitos na aerodinâmica é a idéia de que o ar é
um fluido. Como todos os gases, o ar flui e se comporta de maneira similar à água e
outros líquidos.
Mesmo que ar, água e mel possam parecer substâncias totalmente diferentes, todas
obedecem ao mesmo conjunto de relações matemáticas. Na verdade, os testes básicos
de aerodinâmica às vezes são realizados debaixo d'água.
Outro conceito importante é o fato de que a sustentação existe apenas na presença de
um fluido em movimento. Isso também se aplica para o arrasto. Não importa se o objeto
está parado e o fluido em movimento, ou se o fluido está parado e o objeto se movendo.
O que realmente importa é a diferença relativa de velocidade entre o objeto e fluido.
É o estudo das forças que atuam sobre um objeto em movimento no ar que o envolve. As
forças aerodinâmicas agem sobre aeronaves, barcos a vela, automóveis, ou qualquer
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outro objeto que se desloque no ar. Cientistas e engenheiros estudam as forças
aerodinâmicas porque estas afetam o movimento dos objetos. Os engenheiros utilizam os
princípios da aerodinâmica ao projetarem aviões e outros objetos afetados pelas forças
aerodinâmicas.
O estudo da aerodinâmica foi a condição necessária para a construção dos primeiros
aviões. Atualmente, a indústria aeronáutica usa os princípios aerodinâmicos ao projetar
qualquer tipo de avião.
Por extensão, os engenheiros utilizam os princípios da aerodinâmica ao lidarem com as
forças que atuam sobre objetos postos em fluidos que não sejam o ar. É o caso por
exemplo, dos engenheiros que fazem o projeto de um submarino, e o dos que projetam
bombas, carburadores de automóveis e turbinas a gás e a água. A aerodinâmica é parte
de um ramo da engenharia e da física que estuda a dinâmica dos fluidos.
Algumas espécies de vôos, não envolvem a aerodinâmica. Uma espaçonave que se
desloca acima da atmosfera, não envolve a aerodinâmica, porque ali não existe ar que
produza forças aerodinâmicas. Somente o vôo na atmosfera terrestre ou de outros
planetas implica a aerodinâmica.
6. PRINCIPIOS DA AERONINÂMICA
A maioria dos princípios de aerodinâmica estão ligados às duas forças aerodinâmicas
básicas – sustentação e arrasto
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6.1 CURVATURA
A maioria dos aerofólios tem uma superfície superior curvada, e uma superfície inferior
plana ou menos curva. Diríamos que sua forma é arqueada ou abaulada. O ar que passa
sobre a parte superior de uma asa arqueada tem de percorrer um caminho maior que o ar
que flui por baixo dela. Pelo fato de o ar que passa por cima deslocar-se, no mesmo
período de tempo, mais que o ar debaixo, o ar de cima flui mais depressa. Segundo um
princípio descoberto pelo matemático suíço Daniel Bernoulli, a pressão de um fluido
diminui na razão do aumento de sua velocidade. Assim sendo, a pressão do ar acima de
uma asa arqueada é menor que a pressão abaixo dela. O resultado é a força de
sustentação que impele a asa para cima.
6.2 DEFLEXÃO
Um aerofólio também pode produzir sustentação pela deflexão do ar. Ele deflete o ar
quando o encontra em ângulo. Portanto, de acordo com a terceira lei de Newton, que diz
que toda reação corresponde a uma reação igual e contrária, se um aerofólio deflete o ar
para baixo, a reação a esse movimento força a asa para cima – e produz sustentação.
Alguns aviões, usam tanto a curvatura como a deflexão para produzir sustentação.
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6.3 ÂNGULO DE ATAQUE
É o ângulo que uma asa forma com o ar que passa ao longo dela. Um piloto pode mudar
esse ângulo, ao alterar a atitude do avião (posição do avião no espaço). Até certo ponto, o
aumento de ângulo de ataque acresce a força de sustentação produzida pela asa. Um
aumento da sustentação significa que o aeroplano pode subir mais rapidamente ou voar
com menor velocidade. O angulo de ataque desempenha importante papel na segurança
de vôo. O ar não pode fluir suavemente ao longo da asa quando o angulo se torna
demasiado agudo. Ao contrário, neste caso, a corrente de ar se divide em pequenos
redemoinhos no topo da asa. Os redemoinho cortam bruscamente a sustentação e
provocam uma queda no avião. A esse fenômeno dá-se o nome de estol. O avião pode
cair, a menos que esse reduza prontamente o angulo de ataque. Os aeroplanos voam em
um angulo que vai de 3 ou 4 graus até 15 graus. Se o angulo passar acima de 15 ou 20
graus, o aeroplano entrará em estol.
Afigura a seguir descreve que:
-quanto menor a velocidade do avião, maior será seu ângulo de ataque.
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Figura 5
7. DISPOSITIVOS DE ALTA SUSTENTAÇÃO
A sustentação produzida por um aerofólio depende da velocidade com que a asa corta o
ar. Se a asa não se desloca com suficiente rapidez, a diferença de pressão acima e
abaixo não produzirá sustentação bastante para manter o avião no ar. Entretanto, durante
os pousos e decolagens os pilotos querem voar com a menor velocidade possível. Os
aviões dispõem de partes chamadas dispositivos de alta sustentação que lhes provêm
suficiente sustentação para voarem em velocidades mínimas. Esses dispositivos incluem
o flape, o aleta e o slot.
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7.1 FLAPE
È uma seção articulada na parte posterior de cada asa. Durante o vôo normal, ajusta-se à
asa sem ressalto. O piloto baixa os flapes para o pouso às vezes para a decolagem.
Quando abaixados, os flapes aumentam o arqueamento da asa, o que fornece um reforço
de sustentação. Os flapes também ajudam a retardar o avião durante a operação de
pouso. Existe quatro tipos de flapes: o flape simples, o ventral, o com fenda e o flape
Fowler.
figura 6
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7.2 ALETA
È uma seção articulada perto da borda anterior de cada asa. Quando um avião diminui
sua velocidade, as aletas se movem automaticamente para diante, com o fim de aumentar
a curvatura da asa e a sua força de sustentação.
7.3 SLOT
È uma abertura na borda anterior da asa. Ajuda o ar a fluir suavemente sobre a parte
superior da asa, de modo que o avião possa voar com um grande angulo de ataque sem
entrar em estol. O angulo maior aumenta a sustentação.
7.4 SLAT
Têm a mesma função que os flapes (isto é, alterar temporariamente o formato da asa
para aumentar a sustentação), mas eles são presos na frente da asa, em vez de atrás.
Eles também são utilizados na decolagem e na aterrissagem.
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CONCLUSÕES
O presente trabalho concluiu que uma aeronave necessita de forças aerodinâmicas para
fazer um vôo, fatores esses que lhe proporcionam equilíbrio tais quais: empuxo, arrasto,
peso e sustentação. Sabendo utilizar esses fatores usamos os meios para facilitar a
manobrabilidade da aeronave, como os slats, flapes, aletas e slots. Tendo conhecimento
de como é criada uma força aerodinâmica sob a asa e que uma curvatura e deflexão pode
criar mais ou menos sustentação, dependendo do tipo de aerofólio usado, pode facilitar
em um controle operacional estável. O resultado deste estudo demonstra os aspectos
principais e essenciais para um vôo, favorecendo a compreensão do leitor na utilização
correta dos comandos para a operação do mesmo.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Homa, Jorge. Aerodinâmica e Teoria de vôo - Forças Aerodinâmicas. Editora ASA. Moro, Leonel. Noções básicas de Aerodinâmica. Editora Lemos. Garret, Almeida. Como funciona a Aerodinâmica. Editora Savage. Castro, Souza. O Funcionamento da Aerodinâmica - A sustentação. Editora ASA. Origem: Aerodinâmica. http://www.sociedadenewtoniana.kit.net. Acesso em 01 Dez de 2008.
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