Estrutura do avião 

Existe na construção do avião um compromisso entre o seu rendimento aerodinâmico e seu rendimento estrutural.

Rendimento aerodinâmico de um avião é a razão entre a sustentação e o arrasto. E como rendimento estrutural a razão entre a resistência e o peso.

Para isso deve-se saber previamente quais são os esforços estruturas de uma aeronave.

Considerando-se o avião como uma completa unidade, é ele pois, um elemento estrutural cujo fabricante tem previamente determinado a resistência necessária dos seus membros estruturais, com a finalidade de suportarem às cargas e os esforços a serem encontrados durante o voo.

Com esse objetivo foram desenvolvidas novas ligas de metal, mais fortes e mais leves que possibilitam o fabricante manter o relativo nível de desenvolvimento no que se refere ao desenho do avião e de aumentar ainda a eficiência da sua estrutura.

Descrição da estrutura

A discussão da estrutura de um avião por sua própria natureza, tem a ver com seus membros estruturais compreendendo partes parafusadas, rebitadas, soldadas ou coladas e conjuntos e subconjuntos de pequenas e grandes partes, que agrupadas, passam a formar o todo do avião.

Partes estruturais de um avião

A fuselagem, as asas, as superfícies fixas da empenagem, o trem de pouso, as naqueles dos motores são as principais unidades estruturais do avião.

Muitas condições de carga podem ser aplicadas, isoladamente ou combinadas, aos membros do avião.

ESFORÇOS E DEFORMAÇÕES

       O peso do avião, agindo do seu centro de gravidade, é mantido no ar pela força de sustentação das asas.

       Para a existência e ação dessa força sustentadora resultante nas superfícies do avião, são, ocasionados esforços na estrutura do avião.

        As forças externas se em sustentação ou de outra maneira, agindo sobre um corpo são conhecidas como cargas.

As forças internas que se desenvolvem e resistem a essas forças externas são conhecidas como esforços.

        Desde que esses esforços não excedam aos valores estabelecidos originalmente no desenho e na fabricação de um membro da estrutura, ele se manterá coeso e não causará falha.

         Em outras palavras, quando um corpo sólido recebe a ação de uma força externa, são desenvolvidas internamente no corpo, forças de resistência que equilibram a força externa aplicada.

Essas forças internas agindo entre partículas adjacentes do corpo são denominadas forças de reação.

Para que possa ser melhor entendido o significado de esforço, devemos ter um conhecimento mais detido das propriedades físicas dos materiais utilizados na construção aeronáutica.

         Existem duas classes importantes de materiais:

•          De natureza plástica
•          De natureza elástica

          Se uma força for exercida contra um material plástico ele cederá por não desenvolver uma resistência interna à força externa, como por exemplo o caso de uma pasta exprimida entre os dedos.

Ao ser removida a força, o material plástico permanecerá na forma em que foi forçado.

 De modo contrário, se for aplicada uma força a um material elástico, o material cederá, porém, os esforços estabelecidos internamente resistirão à força externa.

Logo cesse a ação da força, os esforços internos do material atuam no sentido oposto para que ele retorna à sua forma original.

Exemplo de Esforço e deformação

            Pode-se dizer então, que não sendo aplicadas forças a um material elástico, não haverá, portanto, esforços resultantes internos, ou então, para a força externa mais leve, aplicada a um material elástico, irá se desenvolver um esforço interno correspondente.

            Uma força externa embora sendo aplicada em um determinado local de um material, os esforços internos desenvolvidos em razão da força, serão, no entanto, distribuídos em todo o material.

            Assim, por exemplo, se um peso de 500 Kg for suportado por uma barra, o esforço total de 500 Kg existirá em qualquer seção transversal da barra.

            Supondo-se que a barra tenha uma seção transversal de 10 cm², o esforço interno em cada cm² da seção transversal será de 50 kg; ou seja o esforço unitário será expresso como 50 kg/cm².

 ESPÉCIES DE ESFORÇOS

             Dependendo da posição e do sentido das forças externas os esforços produzidos em um corpo poderão basicamente ser de:

Tração

 A tração é produzida por duas forças puxando, em sentidos opostos, o mesmo corpo e na mesma linha.

A primeira consequência dessa ação é um alongamento do corpo na sua maior direção de comprimento, processando-se, ao mesmo tempo, um estreitamento do corpo na sua largura.

As partículas do corpo resistem a essa deformação, internamente, até um determinado limite, após que, entrará o corpo no estágio crítico ou limite de elasticidade.

Desse ponto em diante, se os esforços continuarem a ser aplicados será atingido, então, o estágio de ruptura.

A tração é a força que puxa, tal como acontece quando um peso é suspenso por um cabo.

       Ela é uma das mais importantes forças que atuam no avião em voo e tem diferentes efeitos. Todos os cabos, estais e praticamente, todas as unidades da estrutura são afetadas por essa força.

Quando o avião está em voo, a carga do ar mantém sob tração, as superfícies inferiores das asas e a parte inferior das seções das longarinas.

A tendência das cargas de resistência ao avanço é a de forçar as pontas das asas para trás, pela força de tração bordos de ataque das asas.

Muitas vezes, em virtude da variação da carga nas asas em voo, tal como ocorre em ar agitado, uma seção que normalmente trabalha sob tração, pode repentinamente tornar-se uma seção de compressão pela transferência de cargas.

Compressão

            A compressão é produzida por duas forças aplicadas em sentidos opostos, porém, dirigidas para o centro do corpo.

As partículas no interior do corpo passarão a ser apertadas ou espremidas conjuntamente. Quando elas não podem mais resistir a um maior esforço de compressão se processa a ruptura do corpo.

Ela é o oposto da tração e age geralmente sobre os membros de compressão dentro da asa. Quando a sustentação está agindo nas asas, enquanto a parte inferior está sob tração, a parte superior da seção trabalha à compressão.

Cisalhamento

            Quando duas forças iguais e opostas agem em ângulo reto ao eixo de uma barra e, estão muito próximas uma da outra, são chamadas forças de cisalhamento.

A tendência é cortar ou cisalhar a barra. As forças de cisalhamento agem no mesmo plano.

 Flexão

         Uma carga de flexão é uma combinação de tração e compressão. A longarina de uma asa está quase que constantemente trabalhando à flexão.

Considerando-se uma barra fixa em uma das suas extremidades e aplicando-se uma força externa na outra extremidade, na direção em ângulo reto ao eixo, resultará antes que tudo, uma reação.

A ação de reflexão da carga aplicada ou momento de flexão da carga aplicada, em qualquer ponto ao longo de uma viga, é medida pelo produto força (carga) pela distância da seção da viga, àquele ponto.

 O momento de flexão é máximo no ponto de suporte da viga. Esse tipo de viga é conhecido como “viga cantilever”.

No caso de uma viga suportada em ambas extremidades, for aplicada uma carga concentrada no centro da longarina, o momento máximo de flexão ocorrerá no centro dessa longarina. Se a viga estiver com sobrecarga, ela entrará em ruptura naquele ponto. 

Torção

         Quando a aplicação de forças resulta em movimentos de torcer, temos presente um esforço de torção. Isto é, são esforços que ocasionam um membro torcer ou girar em torno de um eixo, dando margem a uma deformação chamada torção.

Se a uma haste comprida, fixada em uma extremidade, for aplicada uma força de torção na outra extremidade, o momento resultante ocasionará os elementos da haste assumirem uma forma de espiral, similar à rosca de um parafuso.

Veja um vídeo de teste da asa de um AIRBUS!

 

Glossário de Esforços Estruturais em Aeronaves

Este glossário apresenta os termos técnicos relacionados aos esforços estruturais em aeronaves, conforme abordado no artigo.

Índice

• Aerodinâmico
• Carga
• Cisalhamento
• Compressão
• Deformação
• Elemento Estrutural
• Esforço
• Flexão
• Ligas de Metal
• Madeira Compensada
• Material Elástico
• Material Plástico
• Momento de Flexão
• Peso
• Polímero
• Razão
• Resistência Interna
• Torção
• Tração

Aerodinâmico

Rendimento Aerodinâmico

É a razão entre a sustentação e o arrasto de uma aeronave.

Carga

Cargas Externas

Forças externas que agem sobre um corpo, como a sustentação em uma aeronave.

Cisalhamento

Esforço de Cisalhamento

Ocorre quando duas forças iguais e opostas agem em ângulo reto ao eixo de uma barra e estão muito próximas uma da outra, com a tendência de cortar ou cisalhar o material.

Compressão

Esforço de Compressão

Produzido por duas forças aplicadas em sentidos opostos, dirigidas para o centro do corpo, causando o aperto ou espremer das partículas. É o oposto da tração.

Deformação

Deformação Estrutural

Alteração na forma ou dimensão de um material devido à aplicação de forças. Pode ser temporária (elástica) ou permanente (plástica).

Elemento Estrutural

Componente Estrutural

Qualquer parte de uma aeronave (como fuselagem, asas, empenagem, trem de pouso) projetada para suportar cargas e esforços durante o voo.

Esforço

Esforços Internos

Forças internas que se desenvolvem dentro de um material para resistir às forças externas aplicadas, mantendo a coesão do corpo.

Flexão

Carga de Flexão

Uma combinação de esforços de tração e compressão. É comum em componentes como a longarina da asa, que está constantemente sujeita a esse tipo de esforço.

Ligas de Metal

Materiais Avançados

Metais desenvolvidos para serem mais fortes e leves, utilizados na construção de aeronaves para aumentar a eficiência estrutural.

Madeira Compensada

Material Histórico

Material utilizado na construção de aeronaves mais antigas, como o Havilland DH 98 (1940), antes do advento de materiais mais avançados.

Material Elástico

Propriedade Elástica

Material que cede sob a aplicação de uma força, mas retorna à sua forma original quando a força é removida, devido aos esforços internos de resistência.

Material Plástico

Propriedade Plástica

Material que cede sob a aplicação de uma força e permanece na forma em que foi forçado mesmo após a remoção da força, por não desenvolver resistência interna suficiente.

Momento de Flexão

Cálculo de Flexão

Medida da ação de flexão de uma carga aplicada, calculada pelo produto da força pela distância da seção da viga ao ponto de aplicação da força. É máximo no ponto de suporte da viga.

Peso

Força Gravitacional

A força que age do centro de gravidade da aeronave, mantida no ar pela força de sustentação das asas.

Polímero

Material Composto

Componente principal, juntamente com a fibra de carbono, na construção de aeronaves modernas como o Airbus A350, conferindo leveza e resistência.

Razão

Proporção

Termo utilizado para descrever a relação entre duas grandezas, como na razão entre sustentação e arrasto (rendimento aerodinâmico) ou resistência e peso (rendimento estrutural).

Resistência Interna

Forças de Reação

Forças desenvolvidas internamente em um corpo sólido que equilibram a força externa aplicada, agindo entre partículas adjacentes do corpo.

Torção

Esforço de Torção

Ocorre quando a aplicação de forças resulta em movimentos de torcer ou girar um membro em torno de um eixo, causando uma deformação em espiral.

Tração

Esforço de Tração

Produzido por duas forças puxando em sentidos opostos, na mesma linha, causando alongamento e estreitamento do corpo. É uma das forças mais importantes que atuam no avião em voo.

FAQ – Esforços Estruturais em Aeronaves

P: Quais são os principais esforços estruturais que uma aeronave deve suportar?

R: Os principais esforços estruturais que uma aeronave deve suportar são tração, compressão, cisalhamento, flexão e torção.

P: Qual a diferença entre material plástico e material elástico?

R: Um material plástico cede à força aplicada e permanece deformado após a remoção da força, enquanto um material elástico cede, mas retorna à sua forma original após a remoção da força.

P: O que é rendimento aerodinâmico?

R: Rendimento aerodinâmico é a razão entre a sustentação e o arrasto de uma aeronave.

P: Como a tração afeta a estrutura de uma aeronave?

R: A tração puxa as partes da aeronave em sentidos opostos, causando alongamento e estreitamento. É uma força importante que afeta cabos, estais e as superfícies inferiores das asas em voo.

P: Onde a compressão é mais comum na estrutura de uma aeronave?

R: A compressão é comum nos membros de compressão dentro da asa, especialmente na parte superior da seção da asa quando a sustentação está agindo.

P: O que causa o cisalhamento em uma aeronave?

R: O cisalhamento é causado por duas forças iguais e opostas que agem em ângulo reto ao eixo de uma barra e estão muito próximas uma da outra, com a tendência de cortar o material.

P: O que é uma carga de flexão?

R: Uma carga de flexão é uma combinação de tração e compressão, frequentemente observada em componentes como a longarina da asa.

P: Como a torção se manifesta na estrutura de uma aeronave?

R: A torção ocorre quando a aplicação de forças resulta em movimentos de torcer ou girar um membro em torno de um eixo, causando uma deformação em espiral.

P: Quais são as partes estruturais principais de um avião?

R: As partes estruturais principais de um avião incluem a fuselagem, as asas, as superfícies fixas da empenagem, o trem de pouso e as naceles dos motores.

P: O que são esforços internos?

R: Esforços internos são as forças que se desenvolvem dentro de um corpo para resistir às forças externas aplicadas, mantendo a integridade do material.