Um princípio fundamental da engenharia aeronáutica foi derrubado

O arrasto aerodinâmico é uma grande “barreira” em alta velocidade aviões, automóveis e trens-bala. Isso ocorre porque um projeto com menos arrasto aerodinâmico permite que a aeronave se mova em velocidades mais altas com menos energia.

Quando uma aeronave ou carroceria se move em alta velocidade, uma fina camada de ar chamada “camada limite” é formada em sua superfície. Essa camada limite possui dois estados: fluxo laminar, no qual o ar flui de maneira ordenada, e fluxo turbulento, que envolve turbulência.

Quanto mais tempo o ar permanece no estado de fluxo laminar com baixo atrito, menor se torna a resistência do ar, mas à medida que a velocidade do ar aumenta, ele transita para um fluxo turbulento. A chave para reduzir o arrasto aerodinâmico é como atrasar esta transição para a turbulência.

Durante mais de 80 anos, o princípio “a superfície de um objeto deve ser lisa” tem sido a premissa básica da engenharia aeronáutica em todo o mundo, a fim de suprimir a transição para a turbulência e reduzir o arrasto aerodinâmico. Esta premissa baseou-se nos resultados de um estudo de 1940 realizado por Ichiro Tani, um aerodinamicista japonês que demonstrou quantitativamente a relação entre a “rugosidade superficial” (um indicador do estado da superfície maquinada) e a transição turbulenta, argumentando que a rugosidade superficial, que era inevitável com a tecnologia de fabrico da época, impedia a realização do fluxo laminar.

No entanto, em 1989, Tani reinterpretou os dados experimentais sobre tubos de superfície rugosa obtidos pelo engenheiro de fluidos Johann Nikulase na década de 1930, trazendo uma nova perspectiva de que “a rugosidade pode não necessariamente apenas promover uma transição turbulenta e aumentar a resistência do fluido”. Herdando essa ideia, um grupo de pesquisa liderado por Yasuaki Kohama, da Universidade de Tohoku, demonstrou experimentalmente na década de 1990 que superfícies fibrosas ásperas, que apresentam finas irregularidades fibrosas em sua superfície, têm o efeito de retardar a transição sob certas condições.

A mesma equipa de investigação da Universidade de Tohoku anunciou recentemente uma descoberta que avança significativamente esta tendência. Aiko Yakino, professora associada do Instituto de Ciência de Fluidos da Universidade de Tohoku, e seu grupo de pesquisa foram os primeiros no mundo a demonstrar que o arrasto aerodinâmico pode ser reduzido em até 43,6% simplesmente aplicando microrrugosidade distribuída (DMR), uma rugosidade superficial tão fina e irregular que não pode ser distinguida a olho nu.

Esta tecnologia é fundamentalmente diferente do “processo de riacho (pele de tubarão)”, que é conhecido como uma tecnologia típica de redução de arrasto aerodinâmico. O processo de riacho imita os finos sulcos longitudinais na pele do tubarão e, ao esculpir sulcos de aproximadamente 0,1 mm de largura ao longo da direção do fluxo de ar, alinha os vórtices que ocorrem perto da superfície da parede das áreas de fluxo de ar turbulento. O DMR, por outro lado, atrasa a mudança de fluxo laminar para turbulento por meio de irregularidades aleatórias e mínimas. As zonas de fluxo que afecta e os mecanismos que utiliza baseiam-se em conceitos completamente diferentes.

Medição precisa em um túnel de vento sem barras de apoio

Um fator chave para essa conquista foi o uso de um método experimental de túnel de vento diferente do anterior. Os experimentos convencionais em túneis de vento tinham limitações estruturais: as hastes e fios de suporte essenciais para sustentar o modelo perturbavam o fluxo de ar, anulando as pequenas mudanças na resistência do ar causadas pela rugosidade em microescala.

O maior sistema de equilíbrio de suporte magnético de 1 metro do mundo (1m-MSBS), de propriedade do Instituto de Ciência de Fluidos da Universidade de Tohoku, resolveu fundamentalmente esse problema. Este dispositivo pode levitar um modelo aerodinâmico de aproximadamente 1,07 m de comprimento dentro de um túnel de vento sem contato usando força eletromagnética. Por não utilizar hastes de suporte ou outros meios, elimina completamente a interferência no fluxo de ar ao redor do modelo.

Yakino e sua equipe mediram com precisão o coeficiente de arrasto total em superfícies lisas e revestidas com DMR em uma ampla faixa de números de Reynolds (relação entre forças inerciais e viscosas agindo no fluido) (Re = 0,35 x 10⁶ a 3,6 x 10⁶).