Aeronáutica
Aeronáutica é a ciência ou arte envolvida com o estudo, projeto e fabricação de máquinas capazes de voar, e as técnicas de operação de aeronaves e foguetes na atmosfera. A British Royal Aeronautical Society identifica os aspectos da "arte, ciência e engenharia aeronáutica" e "A profissão de Aeronáutica (cuja expressão inclui a Astronáutica)."
Embora o termo originalmente se referisse apenas à operação da aeronave, ele foi expandido para incluir tecnologia, negócios e outros aspectos relacionados à aeronave. O termo "aviação" às vezes é usado de forma intercambiável com a aeronáutica, embora "aeronáutica" inclui aeronaves mais leves que o ar, como dirigíveis, e inclui veículos balísticos enquanto a "aviação" tecnicamente não.
Uma parte significativa da ciência aeronáutica é um ramo da dinâmica chamado aerodinâmica, que lida com o movimento do ar e a maneira como ele interage com objetos em movimento, como uma aeronave.
História
Primeiras ideias
Tentativas de voar sem nenhum conhecimento aeronáutico real foram feitas desde os primeiros tempos, normalmente construindo asas e pulando de uma torre com resultados incapacitantes ou letais.
Investigadores mais sábios procuraram obter algum entendimento racional por meio do estudo do vôo dos pássaros. Cientistas da Idade de Ouro Islâmica Medieval, como Abbas ibn Firnas, também fizeram tais estudos. Os fundadores da aeronáutica moderna, Leonardo da Vinci na Renascença e Cayley em 1799, começaram suas investigações com estudos de voo de pássaros.
Acredita-se que as pipas para carregar homens tenham sido amplamente usadas na China antiga. Em 1282, o explorador italiano Marco Polo descreveu as técnicas chinesas então em vigor. Os chineses também construíram pequenos balões de ar quente, ou lanternas, e brinquedos de asas rotativas.
Um dos primeiros europeus a fornecer qualquer discussão científica sobre o voo foi Roger Bacon, que descreveu os princípios de operação para o balão mais leve que o ar e o ornitóptero de asas batendo, que ele imaginou que seriam construídos no futuro. O meio de elevação para seu balão seria um "éter" cuja composição ele desconhecia.
No final do século XV, Leonardo da Vinci deu continuidade ao seu estudo de pássaros com projetos para algumas das primeiras máquinas voadoras, incluindo o ornitóptero de asas oscilantes e o helicóptero de asas rotativas. Embora seus projetos fossem racionais, eles não eram baseados em ciência particularmente boa. Muitos de seus projetos, como um helicóptero do tipo parafuso para quatro pessoas, têm falhas graves. Ele pelo menos entendeu que "Um objeto oferece tanta resistência ao ar quanto o ar oferece ao objeto". (Newton não publicaria a Terceira Lei do Movimento até 1687.) Sua análise levou à conclusão de que a mão de obra por si só não era suficiente para um vôo sustentado, e seus projetos posteriores incluíam uma fonte de energia mecânica, como uma mola. O trabalho de Da Vinci foi perdido após sua morte e não reapareceu até que foi ultrapassado pelo trabalho de George Cayley.
Voo de balão
A era moderna do voo de aviões mais leves que o ar começou no início do século 17 com os experimentos de Galileu, nos quais ele mostrou que o ar tem peso. Por volta de 1650, Cyrano de Bergerac escreveu alguns romances de fantasia nos quais descrevia o princípio da ascensão usando uma substância (orvalho) que ele supunha ser mais leve que o ar e descendo liberando uma quantidade controlada da substância. Francesco Lana de Terzi mediu a pressão do ar ao nível do mar e em 1670 propôs o primeiro meio de elevação cientificamente credível na forma de esferas metálicas ocas das quais todo o ar foi bombeado para fora. Estes seriam mais leves que o ar deslocado e capazes de erguer um dirigível. Seus métodos propostos de controle de altura ainda estão em uso hoje; transportando lastro que pode ser jogado ao mar para ganhar altura e ventilando os contêineres de elevação para perder altura. Na prática, as esferas de Terzi teriam entrado em colapso sob a pressão do ar, e outros desenvolvimentos tiveram que esperar por gases de elevação mais viáveis.
A partir de meados do século 18, os irmãos Montgolfier na França começaram a fazer experiências com balões. Seus balões eram feitos de papel, e os primeiros experimentos usando vapor como gás de elevação tiveram vida curta devido ao seu efeito no papel conforme ele se condensava. Confundindo a fumaça com uma espécie de vapor, eles começaram a encher seus balões com ar quente e enfumaçado, que chamavam de "fumaça elétrica". e, apesar de não entender totalmente os princípios do trabalho, fez alguns lançamentos bem-sucedidos e em 1783 foi convidado para dar uma demonstração na Académie des Sciences francesa.
Enquanto isso, a descoberta do hidrogênio levou Joseph Black em c. 1780 a propor seu uso como um gás de elevação, embora a demonstração prática aguardasse um material de balão estanque a gás. Ao ouvir a história dos irmãos Montgolfier, convite, o membro da Academia Francesa Jacques Charles ofereceu uma demonstração semelhante de um balão de hidrogênio. Charles e dois artesãos, os irmãos Robert, desenvolveram um material estanque ao gás de seda emborrachada para o envelope. O gás hidrogênio deveria ser gerado por reação química durante o processo de enchimento.
Os projetos de Montgolfier tinham várias deficiências, como a necessidade de tempo seco e a tendência de faíscas do fogo incendiarem o balão de papel. O design tripulado tinha uma galeria ao redor da base do balão, em vez da cesta suspensa do primeiro design não tripulado, que aproximava o papel do fogo. Em seu vôo livre, De Rozier e d'Arlandes levaram baldes de água e esponjas para apagar esses incêndios à medida que surgiam. Por outro lado, o design tripulado de Charles era essencialmente moderno. Como resultado dessas façanhas, o balão de ar quente ficou conhecido como tipo Montgolfière e o balão de hidrogênio como Charlière.
Charles e os irmãos Robert' O balão seguinte, La Caroline, era um Charlière que seguia as propostas de Jean Baptiste Meusnier para um balão dirigível alongado e se destacava por ter um envelope externo com o gás contido em um segundo balonete interno.. Em 19 de setembro de 1784, completou o primeiro voo de mais de 100 km, entre Paris e Beuvry, apesar dos dispositivos propulsores movidos a mão se mostrarem inúteis.
Em uma tentativa no ano seguinte de fornecer resistência e controlabilidade, de Rozier desenvolveu um balão com bolsas de ar quente e gás hidrogênio, um projeto que logo recebeu seu nome de Rozière. O O princípio era usar a seção de hidrogênio para elevação constante e navegar verticalmente aquecendo e resfriando a seção de ar quente, a fim de capturar o vento mais favorável em qualquer altitude que soprasse. O envelope do balão foi feito de pele de goldbeater. O primeiro voo terminou em desastre e a abordagem raramente foi usada desde então.
Cayley e a fundação da aeronáutica moderna
Sir George Cayley (1773–1857) é amplamente reconhecido como o fundador da aeronáutica moderna. Ele foi chamado pela primeira vez de "pai do avião" em 1846 e Henson o chamou de "pai da navegação aérea." Ele foi o primeiro verdadeiro investigador aéreo científico a publicar seu trabalho, que incluía pela primeira vez os princípios subjacentes e as forças de voo.
Em 1809 ele começou a publicação de um tratado histórico de três partes intitulado "On Aerial Navigation" (1809-1810). Nela, ele escreveu a primeira declaração científica do problema: “Todo o problema está confinado dentro desses limites, viz. fazer uma superfície suportar um determinado peso pela aplicação de força à resistência do ar." Ele identificou as quatro forças vetoriais que influenciam uma aeronave: empuxo, elevação, arrasto e peso e estabilidade distinta e controle em seus projetos.
Ele desenvolveu a forma convencional moderna do avião de asa fixa com uma cauda estabilizadora com superfícies horizontais e verticais, voando planadores não tripulados e tripulados.
Ele introduziu o uso do equipamento de teste de braço giratório para investigar a aerodinâmica do vôo, usando-o para descobrir os benefícios do aerofólio curvo ou curvado sobre a asa plana que ele havia usado em seu primeiro planador. Ele também identificou e descreveu a importância do diedro, reforço diagonal e redução do arrasto, e contribuiu para a compreensão e design de ornitópteros e pára-quedas.
Outra invenção significativa foi a roda de raios de tensão, que ele desenvolveu para criar uma roda leve e forte para o material rodante de aeronaves.
O século XIX: Otto Lilienthal e os primeiros voos humanos
Durante o século XIX, as ideias de Cayley foram refinadas, provadas e expandidas, culminando nas obras de Otto Lilienthal.
Lilienthal foi um engenheiro e empresário alemão que ficou conhecido como o "homem voador". Ele foi a primeira pessoa a fazer vôos bem documentados, repetidos e bem-sucedidos com planadores, tornando assim a ideia de "mais pesado que o ar" a realidade. Jornais e revistas publicaram fotos de Lilienthal planando, influenciando favoravelmente a opinião pública e científica sobre a possibilidade de máquinas voadoras se tornarem práticas.
O seu trabalho levou-o a desenvolver o conceito de ala moderna. Suas tentativas de voo em Berlim no ano de 1891 são vistas como o início do voo humano e o "Lilienthal Normalsegelapparat" é considerado o primeiro avião a ser produzido em série, tornando a Maschinenfabrik Otto Lilienthal em Berlim a primeira empresa de produção de aviões do mundo.
Otto Lilienthal é muitas vezes referido como o "pai da aviação" ou "pai do vôo".
Outros investigadores importantes incluíram Horatio Phillips.
Ramos
A Aeronáutica pode ser dividida em três ramos principais, Aviação, Ciências Aeronáuticas e Engenharia Aeronáutica.
Aviação
A aviação é a arte ou prática da aeronáutica. Historicamente, a aviação significava apenas voos mais pesados que o ar, mas hoje em dia inclui voar em balões e dirigíveis.
Engenharia aeronáutica
A engenharia aeronáutica abrange o projeto e a construção de aeronaves, incluindo como elas são movidas, como são usadas e como são controladas para uma operação segura.
Uma parte importante da engenharia aeronáutica é a aerodinâmica, a ciência da passagem pelo ar.
Com o aumento da atividade no voo espacial, hoje em dia a aeronáutica e a astronáutica são frequentemente combinadas como engenharia aeroespacial.
Aerodinâmica
A ciência da aerodinâmica lida com o movimento do ar e a maneira como ele interage com objetos em movimento, como uma aeronave.
O estudo da aerodinâmica divide-se amplamente em três áreas:
Fluxo incompressível ocorre onde o ar simplesmente se move para evitar objetos, normalmente em velocidades subsônicas abaixo do som (Mach 1).
O fluxo compressível ocorre onde as ondas de choque aparecem em pontos onde o ar se torna comprimido, normalmente em velocidades acima de Mach 1.
O fluxo transônico ocorre na faixa de velocidade intermediária em torno de Mach 1, onde o fluxo de ar sobre um objeto pode ser localmente subsônico em um ponto e localmente supersônico em outro.
Foguete
Um foguete ou veículo-foguete é um míssil, espaçonave, aeronave ou outro veículo que obtém impulso de um motor de foguete. Em todos os foguetes, a exaustão é formada inteiramente por propulsores carregados dentro do foguete antes do uso. Os motores de foguete funcionam por ação e reação. Os motores de foguetes empurram os foguetes para a frente simplesmente lançando o escapamento para trás com extrema rapidez.
Foguetes para uso militar e recreativo datam pelo menos do século XIII na China. O uso científico, interplanetário e industrial significativo não ocorreu até o século 20, quando os foguetes eram a tecnologia capacitadora da Era Espacial, incluindo pisar na lua.
Foguetes são usados para fogos de artifício, armamento, assentos ejetáveis, veículos de lançamento de satélites artificiais, voos espaciais tripulados e exploração de outros planetas. Embora comparativamente ineficientes para uso em baixa velocidade, eles são muito leves e potentes, capazes de gerar grandes acelerações e atingir velocidades extremamente altas com eficiência razoável.
Foguetes químicos são o tipo mais comum de foguete e normalmente criam sua exaustão pela combustão do propelente do foguete. Os foguetes químicos armazenam uma grande quantidade de energia de uma forma facilmente liberada e podem ser muito perigosos. No entanto, um projeto, teste, construção e uso cuidadosos minimizam os riscos.
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