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Um avião fabricado pelo homem voa de acordo com os mesmos princípios da física que um pássaro: ele deve superar as forças gravitacionais para conseguir sustentação e vôo. As asas de um avião trabalham para gerar a sustentação, e elas conseguem isso curvando o fluxo de ar ao seu redor. Sem asas, um avião é um mero automóvel.
Forças aeronáuticas
Aeronaves - e pássaros - são capazes de voar porque equilibram quatro forças: sustentação, peso, resistência e tração. Um avião decola no ar quando o elevador - a força que empurra para cima na superfície inferior de suas asas - excede o peso do avião devido à força da gravidade. A elevação é criada pelo fluxo de ar ao redor do avião, especialmente ao redor das asas. O arrasto é a força da resistência do ar contra o movimento do avião. Essa força aumenta com o aumento da velocidade da aeronave, mas diminui se a aeronave tiver uma forma suave ou aerodinâmica. O motor e o sistema de propulsão do avião, jato ou hélice, gera uma força de empuxo para superar o arrasto.
Newton e Bernoulli
Dois cientistas europeus explicaram os princípios do voo da aeronave. O físico inglês Isaac Newton (1642-1727) enumerou três leis do movimento que são aplicáveis a todos os objetos em movimento. A primeira é que os objetos permanecem em repouso ou em movimento uniforme, a menos que sejam obrigados a mudar por uma força externa. O segundo afirma que uma força direcionada a um objeto faz com que ele acelere na direção dessa força. O terceiro afirma que, para toda força, existe uma força igual e oposta. O matemático suíço Daniel Bernoulli (1700–1782) foi pioneiro no desenvolvimento de uma explicação matemática para a dinâmica de fluidos, a mecânica de como fluem líquidos e gases. Sua principal descoberta, conhecida como princípio de Bernoulli, afirma que, à medida que a velocidade do fluxo de ar aumenta, sua pressão diminui.
Ângulo de ataque
As asas do avião são projetadas para se inclinarem ligeiramente da horizontal, também conhecida como caminho do voo. Esse ângulo de inclinação é chamado de ângulo de ataque e é a variável mais importante na geração de sustentação. Um avião começa a se mover quando o piloto aplica o impulso do motor para fazer o avião avançar no chão. O piloto gira a aeronave para cima, levantando o nariz para aumentar o ângulo de ataque e conseguir a decolagem. No entanto, um ângulo de ataque muito grande irá parar o avião.
Curvatura do fluxo
O elevador é gerado curvando-se ao redor das asas de um avião. Quando o fluxo de ar atinge a borda principal de uma asa, ele se divide em dois, alguns fluindo ao longo da superfície superior e outros fluindo ao longo da superfície abaixo. O formato de uma asa é ligeiramente assimétrico, com uma área de superfície maior no lado superior. O fluxo de ar adere à superfície superior à medida que se move entre as bordas dianteira e traseira da asa, curvando e abaixando a pressão de acordo com o princípio de Bernoulli. À medida que o avião ganha velocidade, o elevador aumenta de acordo com a segunda lei do movimento de Newton. Isso, por sua vez, aumenta a curvatura do ar na superfície superior, forçando mais ar a partir da borda traseira das asas. À medida que o avião se move pelo ar, as asas do lado de fora, voltadas para o fluxo de ar no ângulo de ataque, também desviam algum fluxo de ar para baixo. Esse fluxo de ar descendente gera uma reação igual e oposta em um fluxo ascendente de ar de alta pressão (terceira lei de Newton), aumentando a sustentação e mantendo o avião no ar.