Aviões de papel revelam detalhes desconhecidos da aerodinâmica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/03/2022

Os testes envolveram aviões de papel e placas metálicas no formato dos aviões, só que mergulhando em um tanque com água.
[Imagem: Huilin Li et al. - 10.1017/jfm.2022.89]

Aerodinâmica dos aviões de papel

Um experimento científico feito com aviões de papel ajudou melhorar nossa compreensão da estabilidade de voo e pode inspirar novos tipos de robôs voadores e pequenos drones.

Tudo começou quando uma equipe das universidades de Cornell e Nova Iorque, nos EUA, deu-se conta de que, por surpreendente que possa parecer, não existia ainda um bom modelo matemático para prever o voo aparentemente simples, mas sutil, dos aviões de papel.

Mas a surpresa maior veio quando, ao começar a estudar o que faz com que alguns aviões de papel caiam de bico assim que são arremessados, enquanto outros voam por quase um minuto, os pesquisadores se deram conta de que os aviões de papel apresentam efeitos aerodinâmicos nunca descritos.

"O estudo começou com uma simples curiosidade sobre o que faz um bom avião de papel e, especificamente, o que é necessário para um planar suave. Responder a essas perguntas básicas acabou ficando longe de ser uma brincadeira de criança. Descobrimos que a aerodinâmica de como os aviões de papel mantêm o voo nivelado é realmente muito diferente da estabilidade dos aviões convencionais," explicou o professor Leif Ristroph, cuja equipe já havia descrito o formato ideal de uma asa de avião.

Embora os primeiros protótipos tenham afundado direto no tanque, os melhores planaram com grande eficiência.
[Imagem: NYU Applied Mathematics Laboratory]

Centro de massa

Para investigar o fenômeno, os pesquisadores realizaram dois tipos de experimentos de laboratório: Lançar aviões de papel com diferentes centros de massa e estudar placas metálicas, também com diferentes centros de massa, lançadas dentro de um tanque de água.

Os dados mostraram que os aviões de papel, mesmos os mais simples de se construir, envolvem uma aerodinâmica surpreendentemente complexa.

Mas a equipe conseguiu conceber um novo modelo que descreve matematicamente essa aerodinâmica, e ainda programou um "simulador de voo", capaz de prever os movimentos de cada avião de papel.

E o grande segredo está não no projeto do avião ou de sua asa, mas do seu centro de massa. Especificamente, se o peso estiver no centro da asa ou apenas um pouco deslocado do meio, o avião faz movimentos drásticos, incluindo entrar em parafuso e cair. Se o peso for deslocado muito em direção a uma borda, o avião rapidamente mergulha e cai. No meio, no entanto, há um "ponto ideal" para o centro de massa, que proporcionava um deslizamento estável e duradouro.

"O critério chave de um planador de sucesso é que o centro de massa deve estar no lugar 'certo'. Bons aviões de papel conseguem isso com a borda frontal dobrada várias vezes ou com um clipe de papel adicionado, o que requer um pouco de tentativa e erro," explicou Ristroph.

Quando o centro de massa está no ponto ideal, a força aerodinâmica na asa do avião empurra a asa de volta para baixo se o avião se mover para cima, ou de volta para cima, se ele se mover para baixo.

Mas saber jogar o avião no ângulo certo continua sendo importante: "A localização da força aerodinâmica ou centro de pressão varia com o ângulo de voo, de forma a garantir a estabilidade," explicou Ristroph.

Trajetórias das placas caindo na água, onde as diferentes cores representam diferentes centros de massa. Apenas a distribuição de peso "correta" levou ao deslizamento suave, mostrado em azul.
[Imagem: NYU Applied Mathematics Laboratory]

Sustentação e estabilidade

Essa dinâmica de voo não ocorre com as asas dos aviões convencionais, que são aerofólios - estruturas cujas formas funcionam para gerar sustentação.

"O efeito que encontramos nos aviões de papel não acontece para os aerofólios tradicionais usados como asas de aeronaves, cujo centro de pressão permanece fixo nos ângulos que ocorrem em voo," disse Ristroph. "A mudança do centro de pressão parece ser uma propriedade única das asas finas e planas, e isso acaba sendo o segredo para o voo estável dos aviões de papel."

É por isso que os aviões precisam de uma cauda, que funciona como estabilizador, enquanto um avião de papel voa com apenas uma asa, responsável tanto pela sustentação quanto pela estabilidade.

Ainda assim, a equipe acredita que suas descobertas tenham efeito prático: "Esperamos que nossas descobertas sejam úteis em aplicações de voo em pequena escala, onde você pode querer um design mínimo que não exija muitas superfícies de voo, sensores e controladores extras," disse Ristroph.

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