Velocidade em relação ao ar

Um velocímetro é um instrumento de voo que mostra a velocidade em relação ao ar. Esse velocímetro possui marcações padronizadas para um avião multimotor.

Aeronaves têm tubos de Pitot para medir a velocidade em relação ao ar.

Velocidade em relação ao ar é a rapidez de uma aeronave relativa ao ar. Entre as convenções comuns para qualificar a velocidade em relação ao ar estão a velocidade indicada ("IAS"), velocidade calibrada ("CAS"), velocidade equivalente ("EAS"), velocidade verdadeira ("TAS"), e velocidade-densidade.

Velocidade indicada é simplesmente o que é lido de um medidor de velocidade conectado a um sistema de Pitot estático, velocidade calibrada é a velocidade indicada ajustada para o erros de instalação e de posicionamento do sistema de Pitot, e velocidade equivalente é a velocidade calibrada ajustada para efeitos de compressibilidade. Velocidade verdadeira é a velocidade equivalente ajustada para a densidade do ar, e é também a rapidez da aeronave através do ar no qual ela está voando.^[1] A divergência da velocidade calibrada está tipicamente dentro de alguns nós da velocidade indicada, enquanto que a velocidade equivalente diminui levemente da CAS conforme a altitude da aeronave aumenta ou em altas velocidades.

Com a EAS constante, a velocidade verdadeira aumenta conforme a altitude da aeronave aumenta. Isso se deve à diminuição da densidade do ar em altitudes maiores, mas a asa de uma aeronave requer a mesma quantidade de partículas de ar (ou seja, massa de ar) fluindo ao seu redor para produzir a mesma quantidade de sustentação para dado ângulo de ataque ("AOA"); assim, uma asa deve mover-se mais rápido através de ar mais rarefeito do que através de ar mais denso para obter a mesma quantidade de sustentação.

A medição e indicação da velocidade em relação ao ar é normalmente realizada a bordo de uma aeronave por meio de um velocímetro ("ASI") conectado a um sistema de Pitot estático. O sistema de Pitot estático é composto de um ou mais tubos de Pitot (ou sondas) voltadas em direção ao fluxo de ar que se aproxima para medir a pressão de Pitot (também chamada de pressão de estagnação, total ou de impacto) e uma ou mais portas estáticas para medir a pressão estática no fluxo de ar. Essas duas pressões são comparadas pelo ASI para fornecer uma leitura de IAS.

Velocidade indicada

Ver artigo principal: Velocidade indicada

Velocidade indicada (IAS) é a leitura do velocímetro (ASIR) não corrigida para erros de instrumentos, posição, entre outros. Das atuais definições da EASA: Velocidade indicada significa a rapidez de uma aeronave como mostrada em seu velocímetro de Pitot estático calibrado para refletir o fluxo compressível adiabático em atmosfera padrão ao nível do mar não corrigido para erros do sistema de velocidade em relação ao ar.^[2]

Fora do antigo bloco soviético, a maior parte dos velocímetros mostra a velocidade em nós (milhas náuticas por hora). Algumas aeronaves leves possuem velocímetros que mostram a velocidade em milhas estatutárias por hora ou quilômetros por hora.

Um velocímetro é um medidor de pressão diferencial, com a leitura de pressão expressa em unidades de velocidade, em vez de pressão. A velocidade em relação ao ar é derivada da diferença entre a pressão de impacto proveniente do tubo de Pitot, ou pressão de estagnação, e a pressão estática. O tubo de Pitot é montado voltado para a frente; a pressão estática é frequentemente detectada em portas estáticas em um ou ambos os lados da aeronave. Algumas vezes ambas as fontes de pressão são combinadas em uma única sonda, um tubo de Pitot-estático. A medição da pressão estática está sujeita a erro devido a impossibilidade de se colocar as portas estáticas em posições nas quais a pressão é realmente pressão estática em todas as velocidades e atitudes. A correção para esse erro é a correção de erro de posição (PEC) e varia para diferentes aeronaves e velocidades. Mais erros de 10% ou mais são comuns se o avião é voado em um voo "descoordenado".

Velocidade calibrada

Ver artigo principal: Velocidade calibrada

Velocidade calibrada (CAS) é a velocidade indicada corrigida para os erros de instrumentos, erro de posição (devido à pressão incorreta na porta estática) e erros de instalação.

Valores da velocidade calibrada inferiores à velocidade do som no nível do mar padrão (661,4788 nós) são calculados como segue:

${\displaystyle V_{c}=A_{0}{\sqrt {5{\Bigg [}{\bigg (}{\frac {q_{c}}{P_{0}}}+1{\bigg )}^{\frac {2}{7}}-1{\Bigg ]}}}}$ menos a correção de erro de posição e instalação.

onde

${\displaystyle V_{c}\,}$ é a velocidade calibrada,

${\displaystyle q_{c}\,}$ é a pressão dinâmica (polegadas de Hg) medida pelo tubo de Pitot,

${\displaystyle P_{0}\,}$ é 29,92126 polegadas de Hg; pressão de ar estático no nível do mar padrão,

${\displaystyle A_{0}\,}$ é 661,4788 nós; velocidade do som no nível do mar padrão.

Unidades além de nós e polegadas de mercúrio podem ser usadas, se usadas consistentemente.

Essa expressão é baseada na forma da equação de Bernoulli aplicável a um gás perfeito e incompressível. Os valores para ${\displaystyle P_{0}}$ e ${\displaystyle A_{0}}$ são consistentes com a ISA, ou seja, sob as condições nas quais os velocímetros são calibrados.

Velocidade equivalente

Ver artigo principal: Velocidade equivalente

Velocidade equivalente (EAS) é definida como a rapidez ao nível do mar que produziria a mesma pressão dinâmica incompressível que a velocidade verdadeira na altitude na qual o veículo está voando. Uma aeronave em voo para a frente está sujeita aos efeitos da compressibilidade. Da mesma forma, a velocidade calibrada é uma função da pressão de impacto compressível. EAS, por outro lado, é uma medida da velocidade que é uma função da pressão dinâmica incompressível. Análise estrutural muitas fezes é feita em termos da pressão dinâmica incompressível, de modo que a velocidade equivalente é uma rapidez útil para testes estruturais. Na pressão do nível do mar padrão, as velocidades calibrada e equivalente são iguais. Até cerca de 200 nós CAS e 10 000 ft (3 050 m) a diferença é desprezível, mas em maiores velocidades e altitudes, a CAS deve ser corrigida para erros de compressibilidade para determinar a EAS. O significado da velocidade equivalente é que, em números de Mach abaixo do início do arrasto de onda, todas as forças e momentos aerodinâmicos em uma aeronave são proporcionais ao quadrado da velocidade equivalente. A velocidade equivalente está intimamente relacionada com a velocidade indicada mostrada pelo velocímetro. Assim, a manobrabilidade e o "feel" de uma aeronave, e as cargas aerodinâmicas sobre ela, em uma dada velocidade equivalente, são quase constantes e iguais àquelas no nível do mar padrão, independentemente das reais condições de voo.

Velocidade verdadeira

Ver artigo principal: Velocidade verdadeira

Velocidade verdadeira ${\displaystyle (V_{t})}$ é a rapidez da aeronave relativa à atmosfera. A velocidade verdadeira e a proa de uma aeronave constituem sua velocidade relativa à atmosfera. A relação vetorial entre a velocidade verdadeira e a rapidez com respeito ao solo ${\displaystyle (V_{g})}$ é:

${\displaystyle V_{t}\ =\ V_{g}-V_{w}}$

onde

${\displaystyle V_{w}}$ = Vetor velocidade do vento

Instrumentos de voo de aeronaves, no entanto, não computam a velocidade verdadeira como uma função da velocidade em relação ao solo e da velocidade do vento. Eles usam as pressões de impacto e estática, bem como uma entrada de temperatura. Velocidade verdadeira é a velocidade equivalente que é corrigida para a altitude de pressão e temperatura (que define a densidade). O resultado é a rapidez física verdadeira da aeronave relativa ao corpo de ar circundante. Em condições de nível do mar padrão, velocidade verdadeira, velocidade calibrada e velocidade equivalente são todas iguais.

O método mais simples para computar a velocidade verdadeira é usando uma função do número de Mach:

${\displaystyle V_{t}\ =\ a_{0}\cdot M{\sqrt {\frac {T}{T_{0}}}}}$

onde

${\displaystyle a_{0}}$ = Velocidade do som ao nível do mar padrão (661,4788 nós)

${\displaystyle M}$ = Número de Mach

${\displaystyle T}$ = Temperatura (kelvin)

${\displaystyle T_{0}}$ = Temperatura padrão ao nível do mar (288,15 kelvin)

Ou, se o número de Mach não é conhecido:

${\displaystyle V_{t}\ =\ a_{0}\cdot {\sqrt {5\left[\left({\frac {q_{c}}{P}}+1\right)^{\frac {2}{7}}-1\right]\cdot {\frac {T}{T_{0}}}}}}$

onde

${\displaystyle a_{0}}$ = Velocidade do som ao nível do mar padrão (661,4788 nós)

${\displaystyle q_{c}}$ = Pressão de impacto (inHg)

${\displaystyle P}$ = Pressão estática (inHg)

${\displaystyle T}$ = Temperatura (kelvin)

${\displaystyle T_{0}}$ = Temperatura padrão ao nível do mar (288,15 kelvin)

A equação acima é somente para números de Mach menores do que 1,0.

Velocidade verdadeira difere da velocidade equivalente pois o velocímetro é calibrado ao nível do mar, em condições ISA, onde a densidade do ar é 1,225 kg/m³, enquanto que a densidade do ar em voo normalmente difere desse valor.

${\displaystyle {\frac {1}{2}}\rho V^{2}=q={\frac {1}{2}}\rho _{0}V_{e}^{2}}$

Assim

${\displaystyle {\frac {V}{V_{e}}}={\sqrt {\frac {\rho _{0}}{\rho }}}}$

onde

${\displaystyle \rho \,}$ é a densidade do ar na condição de voo.

A densidade do ar pode ser calculada de:

${\displaystyle {\frac {\rho }{\rho _{0}}}={\frac {p\,T_{0}}{p_{0}\,T}}}$

onde

${\displaystyle p\,}$ é a pressão do ar na condição de voo,

${\displaystyle p_{0}\,}$ é a pressão do ar no nível do mar = 1 013,2 hPa,

${\displaystyle T\,}$ é a temperatura do ar na condição de voo,

${\displaystyle T_{0}\,}$ é a temperatura do ar no nível do mar, ISA = 288,15 K.

Fonte: Aerodynamics of a Compressible Fluid.^[3]

Velocidade relativa ao solo

Ver artigo principal: Velocidade relativa ao solo

Velocidade relativa ao solo é a rapidez da aeronave relativa ao solo, que é a velocidade real da aeronave combinada com a rapidez da massa de ar (ou seja, vento) na qual ela está voando. Por exemplo, uma aeronave viajando a 150 nós TAS em uma massa de ar movendo contra sua direção de voo a 25 nós iria ter um vento de proa de 25 nós e ter uma velocidade relativa ao solo de 125 nós.

Ver também

• Velocidades características
• Velocidade de manobra

Referências

1. Russell M. Cummings. «Airspeed Measurements» (PDF). Aerospace Engineering Department (em inglês). California Polytechnic State University 
2. «Definitions and abbreviations used in Certification Specifications for products, parts and appliances» (PDF) (em inglês). EASA. 5 de novembro de 2003 
3. Liepmann H. W. and A. E. Pucket (1947). Introduction to Aerodynamics of a Compressible Fluid. [S.l.]: John Wiley and Sons, Inc 

Bibliografia

• Glauert H. (1947). «2». The Elements of Aerofoil and Airscrew Theory. [S.l.]: Cambridge University Press. ISBN 9781139241953 
• William Gracey (maio de 1980). Measurement of Aircraft Airspeed and Altitude (PDF). [S.l.]: NASA 
• Getting to grips with aircraft performance (PDF). Flight Operations Support & Line Assistance. [S.l.]: Airbus Customer Services. Janeiro de 2002 

Ligações externas

• Kevin Brown. «True, Equivalent, and Calibrated Airspeeds». MathPages 

Calculadoras

• Dan Israel Malta. «MaltApplication». Calculadora Aeronáutica e Atmosférica, aplicações Windows e Android 
• Luiz Monteiro. «Altimetry». Calculadoras que consideram compressibilidade, aquecimento devido ao atrito e outras variáveis 
• Luiz Monteiro. «Wind & Time - Speed - Distance». Considera mudanças na densidade do combustível devido à temperatura 
• «Atmospheric Calculator». NewByte Flight Dynamics. Consultado em 4 de outubro de 2018. Arquivado do original em 17 de setembro de 2009