Science — Voo (Unit 3)

Leia — 1. A unidade

O nome desta unidade é Principles of Flight (princípios do voo). Você vai estudar:

• o voo na natureza;
• o que os seres vivos que voam têm em comum com as máquinas dos engenheiros;
• as forces (forças) que agem sobre tudo o que voa ou plana.

Você também vai ver como os povos First Nations e Métis (povos indígenas do Canadá) usaram o que sabiam sobre as coisas que voam.

Leia — 2. Por que voar?

Saskatchewan é uma província do Canadá muito grande e com pouca gente. No norte, há poucas estradas. Como chegam a comida e os remédios? De avião!

Airplanes (aviões) e helicopters (helicópteros) levam pessoas e coisas a lugares sem estrada. Os water bombers (aviões que jogam água) protegem cidades e florestas do fogo. Uma remote community (comunidade isolada) recebe pelo ar produtos do mundo todo.

Leia — 3. O que você vai criar

Durante a unidade, a turma escreve um technical report (relatório técnico): um texto que explica como uma pesquisa ou um projeto é feito. No fim, cada um cria um prototype (protótipo): um modelo original, que funciona, de um aparelho que voa.

Atividade de sala, em uma linha: a turma listou o que chega de avião a uma comunidade isolada e se cada coisa ajuda ou prejudica.

Leia — 1. Uma história e uma pergunta

O capítulo abre com uma história inuíte, Crow Brings the Daylight: um corvo voa até o sul e traz para o povo do norte uma bola de luz do dia. Depois, o livro faz a pergunta do cientista: como os seres vivos conseguem glide (planar), flutuar ou levantar voo?

Leia — 2. Força, gravidade e massa

Para os cientistas, uma force (força) muda o movimento de um objeto. Ela pode ser um push (empurrão) ou um pull (puxão).

Gravity (gravidade) é a força de atração entre dois objetos que têm mass (massa). A Terra puxa você, e você puxa a Terra. Quanto mais massa, maior a gravidade. Massa é a quantidade de matéria de um objeto, em geral medida em quilogramas.

Leia — 3. Lift

Para voar, é preciso uma força contra a gravidade: o lift (sustentação). Quanto mais leve o objeto, menor o lift necessário.

A dandelion seed (semente de dente-de-leão) é leve e tem um topo fofo. O vento cria lift, e ela sobe como uma pipa: o lift fica maior que a gravidade. Sem vento, ela desce como um paraquedas: o lift fica menor.

Os pássaros têm hollow bones (ossos ocos): menos massa, menos gravidade.

Leia — 1. Thrust

Thrust (impulso) é a força que empurra um animal ou objeto para a frente. Pássaros e insetos ganham thrust e lift com o flapping (bater de asas). Isso gasta muita energia; por isso, muitos pássaros alternam: batem as asas e planam. A maioria consegue hover (pairar) por pouco tempo. Os insetos pairam melhor: têm asas longas e são muito leves.

Leia — 2. Drag

Drag (arrasto) é a força que freia você. Ela resiste ao movimento. Quando o pássaro voa, o ar empurra contra ele, como a água quando você tenta correr dentro dela.

Agora você já conhece as four forces (quatro forças) do voo: lift, gravity, thrust e drag.

Leia — 3. Cada asa, um voo

• gliding (planar longe): aves marinhas, asas longas, estreitas e pontudas;
• soaring (subir bem alto): águias, asas grandes, com espaços entre as penas da ponta;
• rapid takeoff (decolar rápido): asas pequenas e arredondadas, boas para curvas rápidas;
• high speed (alta velocidade): andorinhas, asas pequenas e afinadas;
• hovering (pairar): beija-flores, asas estreitas que giram no ombro.

Atividade de sala, em uma linha: alunos correram com asas de papelão de formatos diferentes para sentir o drag.

Leia — 1. Três invenções para caçar

Para caçar, os povos First Nations da América do Norte observaram tudo o que voa e criaram três invenções: a spear (lança), o atlatl-and-dart system (propulsor e dardo) e o bow and arrow (arco e flecha).

A spear (de 12 000 a 8000 anos atrás) era grande e pesada: a gravidade puxava a lança para baixo depois de um voo curto. O caçador precisava ficar bem perto da prey (presa).

Leia — 2. Atlatl e dardo

O atlatl é um bastão de arremesso que lança o dart (dardo), uma lança pequena. O dardo matava um cervo a 40 m e viajava até 200 m. A haste da frente, flexível, funciona como uma mola: guarda energia e depois a libera. As penas no fim criam drag, que deixa o voo estável e reto. A arrumação das penas é o fletching.

Leia — 3. Arco e flecha

O bow and arrow apareceu na América do Norte há cerca de 2000 anos. Foi a principal ferramenta de caça até a chegada das armas de fogo, uns 300 anos atrás. A arrowhead (ponta da flecha) era de pedra. A flecha acertava melhor e ia mais longe que o dardo.

Atividade de sala, em uma linha: com balão, canudos e papelão, a turma testou thrust, balance (equilíbrio), direction (direção) e drag.

Leia — 1. Sonhos de voar

Uma lenda grega de 3000 anos conta que Daedalus e o filho, Icarus, fizeram asas de cera e penas para fugir voando de uma ilha. Icarus voou perto demais do Sol, a cera derreteu e ele caiu no mar.

Por volta de 1500, Leonardo da Vinci desenhou planos de voo e inventou o parachute (paraquedas).

Leia — 2. Fracassos e acertos

Depois de muitos fracassos (failure, em inglês), vieram os acertos:

• 1783: os irmãos Montgolfier, da França, testaram o seu hot-air balloon (balão de ar quente) num voo de 8 km sobre Paris.
• 1853: Sir George Cayley, da Inglaterra, fez o primeiro glider (planador) a levar um adulto: o cocheiro dele.
• 1891: Otto Lilienthal, da Alemanha, controlava o planador mudando o peso do corpo, como quem inclina a bicicleta numa curva.

Leia — 3. O primeiro voo com motor

Em 17 de dezembro de 1903, os irmãos Wright, Orville e Wilbur, dos Estados Unidos, fizeram o primeiro powered flight (voo com motor) de sucesso, no Flyer 1. Eles construíram o próprio motor e o propeller (hélice). O voo durou 12 segundos e percorreu 36,5 m. O corpo do avião tem nome: fuselage (fuselagem).

Leia — 1. Mais rápido que o som

Em 1947, Chuck Yeager, dos Estados Unidos, quebrou a sound barrier (barreira do som): voou mais rápido que o som no avião X-1, movido a foguete.

Depois de conquistar o céu, os humanos olharam além da atmosphere (atmosfera), a camada de gases em volta da Terra, rumo ao space (espaço).

Leia — 2. Satélite e Lua

Em 4 de outubro de 1957, a União Soviética lançou o Sputnik, o primeiro satellite (satélite) enviado ao espaço: uma esfera de metal com bateria e rádio. Ele deu voltas em torno da Terra, em orbit (órbita), por três meses.

Depois, os Estados Unidos criaram o programa Apollo, levado ao espaço pelo rocket (foguete) Saturn V. Em 20 de julho de 1969, Neil Armstrong pisou na Lua.

Leia — 3. Ir e voltar

Em 12 de abril de 1981, foi lançado o ônibus espacial Columbia, a primeira nave reusable (reutilizável): ele dava voltas em torno da Terra e voltava para pousar. Desde 2 de novembro de 2000, há pessoas morando na Estação Espacial Internacional (ISS).

Atividade de sala, em uma linha: a turma montou uma linha do tempo do voo e conversou sobre o que um fracasso ensina.

Leia — 1. O balão dos Montgolfier

Os irmãos Joseph e Jacques Montgolfier criaram o balão de ar quente em 1783. Em francês, o balão de ar quente tem o nome deles: la montgolfière. Antes disso, eles nunca tinham visto um balão subir ou descer! O nome do capítulo é Liftoff (decolagem).

Leia — 2. O balão da sala

A turma fez um balão com um saco de lixo leve e um secador de cabelo. Quatro alunos seguravam as tether lines (cordas que prendem o balão). Com o balão cheio de ar quente, todos soltavam as cordas ao mesmo tempo e mediam o flight time (tempo de voo).

Quando o balão rises (sobe), o lift é maior que a gravity. Quando ele descends (desce), a gravity é maior que o lift.

Leia — 3. Um teste que vale

Cada grupo criou uma testable question (pergunta que dá para testar). Exemplo do livro: What effect does increasing the mass of the balloon have on flight time?

Para o teste valer, é preciso controlar as variables (variáveis): só uma coisa muda; o resto fica igual. Variáveis do balão: temperatura e velocidade do secador, tamanho das cordas, massa, material e tamanho do balão.

Leia — 1. Os primeiros

O primeiro momento aeronáutico do Canadá foi em 1840, com um balão. Em 1908, Casey Baldwin foi o primeiro pilot (piloto) canadense, no avião Red Wing. Em 23 de fevereiro de 1909, John McCurdy fez o primeiro voo controlado com motor no Canadá, no Silver Dart. Em 1910, o engine (motor) de William Wallace Gibson, de Saskatchewan, foi o primeiro motor de avião canadense testado com sucesso.

Leia — 2. Saskatchewan no ar

Em 1919, Groome e McCombie fizeram o primeiro voo de Saskatoon a Regina e criaram o primeiro aerodrome (aeródromo) licenciado do Canadá. Em 1946, nasceu o Saskatchewan Air Ambulance Service, uma air ambulance (ambulância aérea) que até hoje atende o norte. Em 1947, chegaram os smokejumpers: bombeiros que saltavam de paraquedas sobre incêndios novos.

Leia — 3. Do Avro Arrow ao espaço

O Avro Arrow, dos anos 1950, foi considerado o avião mais avançado do seu tempo, mas o projeto foi cancelado em 1959. Uma invenção canadense é o G-suit (roupa anti-G), que protege o piloto de desmaiar. No espaço, o Canadarm é um robotic arm (braço robótico) que trabalha fora do ônibus espacial. Em 1984, Marc Garneau foi o primeiro canadense no espaço.

Atividade de sala, em uma linha: a turma pôs esses fatos na linha do tempo.

Leia — 1. Outro jeito de ter lift

Os balões sobem com ar quente. E o pássaro, a flecha e o avião, que andam na horizontal? Precisa haver outra fonte de lift: o ar em movimento em volta deles. O nome do estudo do ar em movimento é aerodynamics (aerodinâmica).

O planador de Sir George Cayley, de 1853, já tinha fixed wings (asas fixas), que não batem, e uma cauda móvel para dirigir.

Leia — 2. O ar empurra

O ar não puxa: ele pushes (empurra). O empurrão constante do ar é a air pressure (pressão do ar). Dá para perceber essa pressão quando o carro sobe uma serra e os ouvidos "estalam". Se um objeto está parado, a pressão do ar em volta dele é igual em todas as direções.

Leia — 3. Da pressão alta para a baixa

O ar sai de uma área de high pressure (pressão alta) e vai para uma área de low pressure (pressão baixa), levando objetos junto.

E mais: o ar é um fluid (fluido), como os líquidos. Ele flui, pode ser derramado e muda de lugar quando batemos nele.

Leia — 1. A regra de ouro

Na sala, a turma passou por cinco estações de aerodinâmica, com papel, cartão, bolinha de pingue-pongue e latas. Em todas, era preciso blow (soprar) ar numa área, e o ar ficava mais rápido ali. Ar faster (mais rápido) faz menos pressão. Então, o ar da pressão mais alta empurrou os objetos para a pressão baixa. Em inglês: the objects moved toward (em direção a) the area of low pressure.

Leia — 2. Carro e caminhão

Já sentiu o carro ser puxado para o lado quando passa um caminhão grande? Entre os dois, forma-se um channel (canal) estreito: o ar acelera e a pressão fica baixa no meio. A pressão mais alta do outro lado de cada um empurra o carro e o caminhão um para o outro.

Leia — 3. Canal estreito, fluido rápido

Experimento de casa (Changing the Channel): água com pimenta num canal que começa largo e fica narrow (estreito). Regra do livro: quando a passagem fica estreita, o fluido passa mais rápido.

Resumo do capítulo: airspeed (velocidade do ar) maior → pressão do ar menor → o objeto vai para a pressão baixa.

Leia — 1. Ideia 1: diferença de pressão

O avião a jato é empurrado para a frente pelo thrust dos motores. O formato da asa faz o ar de cima andar mais rápido. Isso baixa a pressão em cima da asa, e o ar de baixo empurra a asa para cima: é o lift. Quando o lift é maior que a gravity, o avião sobe. Quanto maior a área da asa, mais lift.

Leia — 2. Ideia 2: a superfície curva

Henri Coanda, engenheiro francês, foi o primeiro a construir e voar um avião com jet engine (motor a jato), em 1910. O motor pegou fogo e o avião caiu, mas Coanda reparou que os gases quentes seguiam as laterais do avião.

Na sala, a água da torneira seguiu a curved surface (superfície curva) de uma colher. Do mesmo jeito, o flow (fluxo) de ar sobre uma asa curva puxa a asa para cima.

Leia — 3. Ideia 3: a inclinação

Os aviões voam com o nariz um pouco para cima. Essa tilt (inclinação) é o angle of attack (ângulo de ataque): o ar bate embaixo da asa e empurra o avião para cima. Isso aparece mais na takeoff (decolagem) e no landing (pouso), quando os pilotos também ajustam os flaps das asas.

Leia — 1. O que você já sabe (cap. 8)

Resumo do livro:

1. Quatro forças agem no voo: thrust, drag, lift e gravity.
2. Pressão mais alta embaixo da asa empurra a asa para cima.
3. O ar sobre a superfície curva da asa puxa a asa para cima.
4. O lift depende do ângulo da asa na decolagem.

Atividade de sala, em uma linha: cada aluno testou um planador de papel em três "airports": voar longe, fazer uma manobra e chegar perto de um alvo.

Leia — 2. O planador e os flaps (cap. 9)

Todos montaram planadores iguais, para comparar: isso é um fair test (teste justo). Depois, mudaram uma coisa de cada vez: os flaps (abas da asa) para cima, para baixo ou um para cada lado; ou um paper clip (clipe) no nariz. Os flaps aumentam o drag e fazem o planador virar. O peso no nariz também muda o flight path (caminho do voo).

Leia — 3. O relatório técnico

As partes de um technical report:

• Cover page (capa): título e nome de quem pesquisou.
• Summary (resumo): o tema e as descobertas, em poucas palavras.
• Introduction (introdução): por que a pesquisa importa e quais perguntas foram feitas.
• Body (corpo): teoria, experimentos e resultados.
• Conclusion (conclusão): por que, como e o que foi descoberto.

Leia — 1. Thrust dá lift

O thrust move o avião para a frente. No avião, ele vem das hélices ou do jet engine. Com thrust, o ar passa pelas asas, e isso dá lift, que trabalha contra a gravity e mantém o avião no ar.

O desenho do livro mostra as partes do avião: wing, tail (cauda), propeller, fuselage, flaps, ailerons, rudder (leme), elevators e landing gear (trem de pouso).

Leia — 2. Três fontes de thrust

• Internal combustion engine (motor de combustão interna): o fuel (combustível) queima dentro do motor, que gira a hélice.
• Jet engine: queima combustível com oxigênio e solta muito exhaust gas (gás de escape) para trás; isso empurra o avião para a frente.
• Rocket engine (motor de foguete): os gases passam por um nozzle (bocal) estreito e aceleram. É como tapar parte da ponta da mangueira: a água sai mais rápido.

Leia — 3. O drag ajuda e atrapalha

O drag tem advantages (vantagens) e desvantagens. Ajuda o piloto a dirigir, como os flaps do planador. Atrapalha porque tenta impedir o movimento. Às vezes, o drag é bem-vindo: alguns aviões pousam com paraquedas para frear.

Atividade de sala, em uma linha: um foguete de pote de filme, com água e Alka-Seltzer, mostrou o thrust.

Leia — 1. Muita força para subir

Em 5 de outubro de 1984, o canadense Marc Garneau subiu no ônibus espacial Challenger, com equipamentos, comida, água e ar. Para erguer tanto peso, foram precisos motores de foguete muito potentes. Na decolagem, um space shuttle (ônibus espacial) usa 100 vezes mais energia do que um carro pequeno gasta em um ano.

Leia — 2. Por que o foguete não tem lift

O avião anda horizontally (na horizontal), e as asas criam lift. O foguete sobe vertically (na vertical); por isso, não há lift no force diagram (diagrama de forças) dele. A gravity e o drag puxam o foguete para baixo. Só o thrust o leva para cima.

Leia — 3. Payload

Payload (carga) é o que o foguete leva. Quanto mais thrust, mais payload ele leva ao "espaço".

Atividade de sala, em uma linha: cada dupla fez um balloon rocket (foguete de balão) preso a um canudo num fio e tentou levar o máximo de moedas até o teto.

Leia — 1. Voar a poucos centímetros

O Hovercraft, ou Air Cushion Vehicle, voa só alguns centímetros acima do chão. No começo dos anos 1950, o engenheiro britânico Sir Christopher Cockerell pôs uma lata de comida de gato dentro de uma lata de café e soprou ar no espaço entre elas. Assim, mostrou que dava para criar um air cushion (colchão de ar) para um veículo andar em cima.

Leia — 2. Lift e thrust

Um fan (ventilador) força o ar para baixo do Hovercraft: isso dá lift. A skirt (saia) segura esse ar, para o veículo passar por terrain (terreno) irregular ou ondas altas. Depois, um motor cria o thrust para a frente, e lemes atrás do ventilador servem para steer (dirigir). O Hovercraft anda sobre água, gelo, terra e neve.

Leia — 3. O projeto final

Design Project: Make It Go (p. 216–219): em equipe, a turma projeta, constrói, testa e apresenta um veículo movido a ar, que precisa andar pelo menos 30 cm. No fim, completa o Unit Technical Report.

Atividade de sala do cap. 12, em uma linha: um Hovercraft de CD, carretel e balão.