Efeito solo

Efeito solo - é um efeito aerodinâmico onde o escoamento de ar ao redor de um corpo é interrompido pelo solo.

Em aeronaves

Aeronaves conseguem uma maior força de sustentação para um mesmo ângulo de ataque (havendo contudo uma redução na força máxima de sustentação), e também melhor eficiência voando perto do solo e são afetados principalmente quando decolam ou aterrissam. Isto faz com que a aeronave suba subitamente – esse efeito é conhecido como "balloon". O porquê deste fenômeno ainda está em debate. Uma das razões aceitas atualmente é que este efeito é causado por um colchão de ar comprimido entre as asas e o chão.

Entretanto, testes em túneis de vento indicaram que enquanto este efeito está presente, o efeito solo é quase unicamente devido à interrupção da formação dos vórtices de ponta de asa. Estes vórtices destroem uma grande quantidade da força de sustentação gerada pela asa, e os eliminando consegue-se aumentar a eficiência da asa. Com base nisto foram desenvolvidos algumas aeronaves que operam próximas ao solo e não conseguem sustentar vôo a mais do que alguns metros de altura. O ecranoplano é um destes exemplos.

Efeito solo atuando sobre um avião no momento do pouso.
Ecranoplano Lun/KM.

No automobilismo

Lotus 78 com saias e difusor para criar efeito de solo.

Em carros de corrida o objetivo do projeto é aumentar a sustentação no sentido do solo e não para cima, conseguindo assim maiores velocidades nas curvas. A ideia básica neste caso é criar uma região de baixa pressão abaixo do carro. É utilizado na Fórmula Indy e voltará a ser utilizado na F1 em 2022.

Para entender melhor o que ocorre vamos admitir que o escoamento potencial (traçado pelas linhas de corrente) não apresenta viscosidade nas regiões de contorno. Podemos observar que nas seções mais próximas do solo, onde o ar tem menos espaço para se mover, as linhas de corrente se aproximam umas das outras, como mostra a figura 3. Admitindo que o escoamento é invicido potencial, a massa se conserva e assumindo que o ar é um fluido incompressível (válido para Mach menor que 0,3), a velocidade nas regiões próximas ao solo deve aumentar. Seguindo o princípio de Bernoulli, a pressão nas regiões próximas ao solo deve diminuir, já que a velocidade está aumentando.

Para um fólio simétrico livre no ar, desde que a distribuição de velocidades seja simétrica, não existe sustentação, pois a distribuição de pressão de cima do fólio é igual à de baixo. Se o mesmo fólio se aproximar de uma superfície (como o solo), vai existir uma maior concentração das linhas de corrente na parte inferior do que na superior, o que caracteriza maiores velocidades. Graças a esse efeito de Venturi na parte de baixo, o corpo produz "downforce" (força de sustentação negativa).

Arrasto induzido

Ao ar livre, o arrasto de uma asa de perfil simétrico é devido à viscosidade superficial e possíveis regiões de descolamento do fluido. Uma superfície produzindo sustentação produz arrasto induzido.

O arrasto induzido é resultado da energia cinética gasta na produção de vórtices. Estes vórtices são gerados devido a diferença de pressão entre a parte superior e inferior do fólio. O solo ajuda a destruir estes vórtices, o que diminui o arrasto induzido e melhora a sustentação.

Em alguns casos, como competições de carros solares, onde a potência disponível é bastante limitada, o arrasto induzido é indesejável, portanto são tomadas medidas para evitar a geração de vórtices de ferradura. Isto é feito colocando-se uma pequena cambagem no perfil do carro. Com esta cambagem o carro iria ter sustentação como se estivesse em regiões longe do solo, mas ela é feita de forma a se igualar as pressões superiores e inferiores próximas ao solo, o que evita a formação de vórtices. Isto também pode ser feito variando-se o ângulo de ataque, mas não sem aumentar a força de arrasto.

Infografia

Efeito solo

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1: Pressão do ar em torno de uma asa sem efeito solo.
2: Pressão do ar em torno de uma asa com efeito solo.
3: Pressão do ar em torno de uma asa com efeito solo "negativo" (sustentação negativa).

Ver também

Referências

Johnson, W., Helicopter Theory, Princeton University Press (or Dover edition), Princeton 1980
Gessow A., Myers, G.C., Aerodynamics of the Helicopter, College Park, Maryland, 1985
Seddon, J., Basic Helicopter Aerodynamics, AIAA Education Series, 1990.
K. Knowles, D. T. Donoghue und M. V. Finnis: A Study of Wings in Ground Effect, RAeS Vehicle Aerodynamics Conference, Loughborough University, 18-19 July 1994
K. Knowles und D. Bray: Ground Vortex Formed by Impinging Jets in Cross-flow, AIAA Journal of Aircraft, 30, 6, pp 872–878, November-December 1993
K. Knowles: Impinging of Jet Flowfields for STOVL Ground Effect Research, RAeS Industry-University Aerodynamics Research Forum, London 9 January 1992
K. Knowles und D. Bray: Recent Research into the Aerodynamics of ASTOVL Vehicles in Ground Environment, Proceedings ImechE Part G: Journal of Aerospace Engineering, 205, G2, pp 123–131, 1991