Por que um avião voa?

Um avião em voo estável está sujeito a quatro forças: sustentação, peso, empuxo e arrasto. O peso o puxa para a Terra. O empuxo das hélices ou dos motores a jato o impulsiona para frente. O arrasto, a resistência do ar, atua em sentido contrário. A sustentação, gerada principalmente pelas asas, atua para cima e mantém o avião no ar. No voo nivelado e não acelerado, a sustentação equivale ao peso e o empuxo equivale ao arrasto, e toda a questão de por que um avião voa se reduz a como uma asa gera sustentação.

Uma asa tem forma e inclinação tais que o ar que passa por ela é desviado para baixo. A terceira lei de Newton oferece a explicação mais simples: a asa empurra uma grande massa de ar para baixo, e o ar empurra a asa para cima com força igual. A visão da pressão diz a mesma coisa com outras palavras. O ar que passa sobre a superfície superior, curva e mais longa, e em torno da asa inclinada, acelera e sua pressão cai, enquanto o ar sob a asa é desacelerado e levemente comprimido. A diferença de pressão entre as duas superfícies, somada em toda a área da asa, resulta na sustentação. O princípio de Bernoulli e as leis de Newton não são explicações concorrentes, mas duas visões de um único fluxo; a ideia popular de que o ar sobre e sob a asa deve chegar ao bordo de fuga ao mesmo tempo está errada, e imagens de túnel de vento mostram que o fluxo de cima chega bem antes.

Duas variáveis são decisivas. A primeira é a velocidade de voo: a sustentação cresce com o quadrado da velocidade, por isso um avião comercial precisa de cerca de 250 a 300 km/h (135-160 kn) antes de poder decolar da pista, e por isso pode voar em cruzeiro com muito menos potência do que na decolagem. A segunda é o ângulo de ataque, o ângulo entre a corda da asa e o ar que se aproxima. Levantar o nariz aumenta o desvio do ar e a sustentação, até certo ponto. Além de um ângulo crítico, normalmente 15 a 20 graus numa asa convencional, o fluxo na superfície superior se separa e a sustentação entra em colapso: é o estol, e boa parte da formação básica de um piloto gira em torno de evitá-lo.

Uma tábua plana inclinada gera sustentação, como mostra qualquer avião de papel, e uma asa simétrica também voa perfeitamente de cabeça para baixo, por isso aviões acrobáticos conseguem manter voo invertido. Perfis curvos são escolhidos porque geram sustentação com menos arrasto e entram em estol de forma mais suave, não porque sejam a única maneira de voar. Flapes e slats são estendidos em baixa velocidade para aumentar a curvatura e a área, por isso a asa de um avião comercial pousando parece tão diferente da mesma asa em cruzeiro. Os motores não levantam o avião; eles fornecem a velocidade de avanço que faz o ar fluir sobre a asa, e um planador, sem motor algum, voa trocando altitude exatamente por esse fluxo de ar.