Por que os aviões conseguem voar?

Todo voo pode ser explicado com quatro forças. O peso atrai o avião para o centro da Terra. A sustentação, gerada quase exclusivamente pelas asas, atua para cima. O empuxo do motor o impulsiona para frente. O arrasto se opõe a esse movimento para frente. Quando sustentação e peso, assim como empuxo e arrasto, estão em equilíbrio, o avião voa em linha reta e nivelado a velocidade constante; qualquer desequilíbrio faz com que suba, desça, acelere ou desacelere. A arte da construção e do voo consiste em dominar essas forças com precisão.

A asa é um perfil curvo que encontra o ar em um ligeiro ângulo, o ângulo de ataque. Ao se mover para frente, ela obriga o fluxo de ar a se curvar e a escoar para baixo na borda de fuga. Pela terceira lei de Newton: se a asa empurra o ar para baixo, o ar empurra a asa para cima. Essa deflexão se manifesta como uma diferença de pressão: o ar sobre a superfície superior acelera e sua pressão diminui, enquanto na superfície inferior a pressão é maior. A explicação popular de que o ar de cima precisa "chegar ao mesmo tempo" que o ar de baixo está errada, embora a diferença de pressão resultante seja real. A sustentação aumenta com o quadrado da velocidade, com a densidade do ar, com a área da asa e com o ângulo de ataque até um limite: se esse ângulo for muito grande, o fluxo se separa, a sustentação cai repentinamente e o avião entra em perda.

Sem velocidade não há sustentação, e o arrasto trabalha constantemente para retirá-la. O empuxo de hélices ou turbinas compensa esse arrasto. Em um turbofan, um grande ventilador acelera uma enorme massa de ar para trás; em um motor a pistão, a hélice faz o mesmo com menos fluxo de ar. Um planador não precisa de motor e ganha velocidade através de uma descida suave, trocando altitude por velocidade, assim como um ciclista numa descida.

Quando o nariz é levantado, o ângulo de ataque aumenta e, com ele, a sustentação; quando se adiciona potência, o avião acelera e sobe. Os pilotos combinam atitude e potência para alterar a altitude sem perder velocidade. Um avião comercial que decola com os flapes estendidos a cerca de 280 km/h precisa dessa configuração porque uma asa "limpa" a baixa velocidade não suportaria o peso; em cruzeiro, a 850 km/h com a asa recolhida, essa mesma superfície gera sustentação abundante com um ângulo de ataque de apenas alguns graus.