Ângulo de ataque (AOA) na aviação

Um dos conceitos mais fundamentais da aerodinâmica é o conceito de ângulo de ataque, também denominado AOA (Angle of Attack). A aerodinâmica é um assunto complexo e há muitos conceitos que ajudam a entender exatamente o que é o AOA e por que ele é essencial.

O ângulo de ataque (AOA) é o ângulo formado entre a asa e o vento relativo. À primeira vista, pode parecer o mesmo que a altura em que o avião está inclinado, o que os pilotos de linha aérea chamam de "ângulo do convés". Mas AOA é um pouco mais complicado do que isso.

Os princípios básicos do elevador

A forma de uma asa é chamada de aerofólio. Os aerofólios têm uma superfície superior curva que acelera o fluxo de ar pelo topo da asa. Isso cria uma área de pressão mais baixa acima da asa, que é como ela gera sustentação.

As asas também geram sustentação à medida que o ar atinge sua superfície inferior e rebate. A Terceira Lei do Movimento de Newton afirma que existe uma reação igual e oposta para cada ação. Conforme o ar atinge a base da asa e desvia para baixo, uma força de elevação é criada para cima.

Ambos os fatores exigem que o ar flua ao redor das asas. É por isso que um avião não pode decolar quando está parado; deve ganhar velocidade na pista. À medida que o fluxo de ar sobre as asas aumenta, a sustentação começa a ser produzida.

O ar que passa pela asa é chamado de vento relativo porque está relacionado à trajetória de voo do avião. É o oposto da direção de viagem do avião.

À medida que a asa fica mais alta, mais e mais ar é desviado para baixo. A quantidade de curva superior em relação ao fluxo de ar também aumenta. O resultado líquido é mais elevação.

Qual é o ângulo de ataque?

A definição do ângulo de ataque é o ângulo entre a corda da asa e o vento relativo. A linha de corda é uma linha imaginária que se estende entre o bordo de ataque e o bordo de fuga de uma asa. O vento relativo é o fluxo de ar que se move igual e oposto à trajetória de voo do avião.

O piloto controla o ângulo de ataque lançando o avião para cima ou para baixo. Se a aeronave estiver inclinada para cima, o ângulo de ataque aumenta e a asa faz mais sustentação. Se o piloto se inclina para baixo, o ângulo de ataque diminui e menos sustentação é produzida.

AOA e ângulo da trajetória de vôo e ângulo de inclinação

Trajetória de voo e ângulo de inclinação x AOA

A trajetória de voo do avião é o ângulo entre sua direção de voo e o horizonte. Se você estiver fora do avião, vendo-o à distância, a trajetória de vôo é fácil de ver.

Dentro da cabine, a trajetória de voo raramente é referenciada. Os pilotos sabem a trajetória de voo que pretendem voar, mas o fazem tendo como alvo velocidades no ar e ângulos de inclinação específicos.

O ângulo de inclinação do avião é definido como o ângulo do eixo longitudinal da aeronave com o horizonte. Isso também é descrito como o ângulo do convés pelas tripulações de aviões comerciais. É a referência usada pelos pilotos para vôo visual e é benéfica para configurar e aprender manobras básicas de vôo. Na recuperação perturbada, no entanto, pode ser um indicador confuso.

Ambos são referências visuais que usam o horizonte. Claro, a asa não “vê” o horizonte; ele apenas “vê” o vento relativo. Portanto, apenas o ângulo de ataque é relevante ao descrever a asa e sua produção de sustentação.

Ângulo de incidência

Muitas pessoas confundem o ângulo de ataque com o ângulo de incidência, que é um elemento de design em aeronaves. É o ângulo mensurável entre o eixo longitudinal do avião e a linha da corda da asa. Resumindo, é o ângulo embutido no qual as asas são montadas; o piloto não pode controlá-lo.

O ângulo de ataque muda com a velocidade do ar

As duas maneiras principais de um piloto controlar a quantidade de sustentação de um avião são adicionando velocidade no ar ou aumentando o ângulo de ataque. Se a aeronave estiver voando em linha reta e nivelada, a quantidade de sustentação deve ser igual à quantidade de peso do avião (mais todo o seu conteúdo).

Ângulo de ataque AOA em várias velocidades no ar

Vamos usar a aeronave de treinamento mais comum do mundo como exemplo. Um Cessna 172 Skyhawk navega a cerca de 110 nós. Nessa velocidade, o ângulo de inclinação do avião é aproximadamente nivelado com o horizonte.

Mas e se o piloto precisar desacelerar para 50 nós? Se eles reduzirem a potência e deixarem a aeronave desacelerar, a asa produzirá menos sustentação, então o avião começará a depender. Para manter a altitude enquanto o avião desacelera, o piloto deve inclinar-se para cima para aumentar o ângulo de ataque.

Na mesma nota, se o piloto quiser operar em aceleração total, o avião subirá conforme a velocidade aumenta. Para manter sua altitude, o piloto terá que se inclinar para baixo e reduzir o ângulo de ataque.

AOA em curvas íngremes

A quantidade de sustentação que uma asa precisa criar para voo nivelado nem sempre é constante. Algumas manobras de voo aumentam o fator de carga adicionando forças G à aeronave. Quando isso acontece, a asa pode ser chamada para fazer o dobro ou o triplo da sustentação que ela faz em vôo reto e nivelado, não acelerado.

Para não perder altitude nessas situações, o piloto deve aumentar seu ângulo de ataque ou acelerar. Mas eles devem ser cuidadosos ao fazer isso, já que as células são projetadas apenas para receber uma certa quantidade de força G.

O exemplo mais comum disso é quando os aviões são inclinados para uma curva. Durante as curvas, o fator de carga aumenta. Isso faz com que o avião “pareça” mais pesado do que é, e a asa deve fazer mais sustentação para manter o vôo nivelado.

Portanto, para executar adequadamente uma curva acentuada, o piloto terá que fazer quatro coisas simultaneamente. Eles devem rolar a aeronave no ângulo de inclinação desejado e aplicar pressão no leme para guiná-la para a curva. O leme também é usado para equilibrar o componente horizontal da força de sustentação e centrípeta, mantendo assim a aeronave coordenada.

As duas últimas coisas que um piloto deve fazer envolvem o ângulo de ataque. Eles devem inclinar-se à medida que fazem a curva para aumentar o AOA e manter a altitude. O aumento da força de cauda para baixo e o arrasto induzido ao fazer isso irão desacelerar a aeronave, então eles também devem adicionar potência para manter sua velocidade no ar.

O ângulo crítico de ataque

O ângulo de ataque não pode ser aumentado indefinidamente. Em algum ponto, o ar para de fluir suavemente sobre a superfície superior da asa. Isso resulta em uma diminuição repentina na quantidade de sustentação produzida. O ponto em que isso acontece é chamado de ângulo de ataque crítico.

Quando o ângulo de ataque crítico foi excedido, a asa estagnou. Enquanto muitas pessoas acreditam erroneamente que um estol resulta de voar muito devagar, a verdade é que um estol pode ocorrer em qualquer velocidade e em qualquer ponto durante o voo. Mesmo em alta velocidade, se a asa exceder o ângulo de ataque crítico, ela estolará.

Parar acidentalmente uma aeronave pode ser mortal. É fácil recuperar um estol, contanto que haja altitude suficiente para isso. Mas nos padrões de tráfego perto de aeroportos, paradas e giros que levam à perda de controle da aeronave continuam a ser a principal causa de acidentes.

Saber como a aeronave se comporta em um estol e se recuperar rapidamente é o treinamento básico de piloto.

Um Cessna 208 Caravan decolando

AOA x Ângulo de inclinação na recuperação de estol/rotação

O vento relativo e, portanto, o AOA, às vezes é difícil de visualizar. A chave é pensar exatamente o que “igual e oposto à trajetória de voo” realmente significa. É relativamente fácil imaginar o que parece durante as manobras de vôo de rotina, como reto e nivelado, subidas e descidas.

E se o avião estiver em uma atitude de voo incomum? O exemplo mais dramático disso é o exemplo de uma rotação.

Um giro ocorre quando uma asa fica mais paralisada do que a outra. Fora dos aviões de acrobacias do airshow, esta é uma condição de voo anormal e que deve ser evitada.

Durante um giro, o avião gira em direção ao solo, geralmente em uma atitude de nariz baixo. O giro acontece rapidamente, embora a velocidade no ar para frente seja muito baixa. Durante um giro, o vento relativo vem basicamente de baixo da aeronave enquanto ela afunda em direção ao solo. Se você visualizar o ângulo de ataque, é substancial.

Para se recuperar com sucesso de um giro, o piloto deve fazer algo que não pareça natural. Todas as recuperações de baias começam abaixando o nariz para reduzir o ângulo de ataque. E em um giro, mesmo que o nariz do avião esteja apontado para baixo, ele deve estar apontado ainda mais para baixo.

Medindo o AOA

Tradicionalmente, as técnicas de estol e recuperação de estol são ensinadas aos pilotos, ensinando-os a monitorar sua velocidade no ar durante várias fases do voo com cuidado. O resultado é que o conceito de ângulo de ataque às vezes é mais difícil de entender do que precisa ser.

Recentemente, aeronaves de treinamento e instrutores começaram a usar indicadores de ângulo de ataque dentro do avião. Esses instrumentos mostram o AOA da asa e fornecem uma representação gráfica de quão perto a asa chega de estolar durante várias manobras de voo.

GI-260 da Garmin

Os indicadores AOA têm sido fixados em aeronaves de grande porte há décadas. Sua introdução em aviões de aviação geral é um recurso de segurança bem-vindo e uma excelente ferramenta para os pilotos. Várias empresas estão fabricando unidades baratas, como o GI-260 da Garmin.