D14 Medição de forças aerodinâmicas

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A força aerodinâmica gerada pela asa de um inseto durante o voo pode ser medida diretamente com uma balança de força de alta sensibilidade, construída com extensômetros ou sensores piezoelétricos, montados diretamente sob o inseto enquanto ele voa.

O principal desafio dessa medição é que, em insetos pequenos, a força aerodinâmica gerada pela asa tem uma magnitude da mesma ordem de grandeza que as forças inerciais geradas pela própria aceleração da asa durante o movimento. Portanto, a balança acaba registrando a soma de ambas as forças; separá-las requer a aplicação de uma correção inercial precisa antes que a força medida possa ser atribuída exclusivamente à aerodinâmica.

Antes que essa correção inercial seja significativa, a própria balança de força precisa ser calibrada com sua matriz de calibração, que converte os sinais elétricos brutos produzidos pelos sensores em valores reais de força e torque nos seis graus de liberdade de movimento possíveis.

Uma vez calibrada e corrigida dessa forma, a força aerodinâmica total medida pela balança ainda não distingue quanto dessa força corresponde à sustentação e quanto à resistência do ar. Para decompor o movimento em seus dois componentes, é necessário conhecer os ângulos de orientação relativa entre a direção de voo do inseto e o eixo em que a escala mede. Esses ângulos são obtidos separadamente a partir da análise cinemática 3D do movimento da asa.

Uma vez decompostas em sustentação e arrasto, cada uma dessas duas forças pode ser normalizada dividindo-a pela pressão dinâmica do ar. Isso resulta em dois coeficientes adimensionais que permitem a comparação dos resultados de sustentação e arrasto entre diferentes espécies de insetos e sob diferentes condições de voo, sem que o tamanho ou a velocidade de voo do inseto distorçam a comparação.

Multiplicando a força aerodinâmica da asa pela velocidade da asa em qualquer instante, obtém-se a potência aerodinâmica instantânea, ou seja, o trabalho útil que a asa realiza sobre o fluxo de ar durante cada ciclo de voo. Comparando essa potência aerodinâmica com a potência muscular total que o inseto investe para mover a asa, pode-se finalmente determinar a eficiência aeromecânica de todo o voo do inseto: qual fração da energia que o músculo do inseto gasta acaba sendo convertida em trabalho útil sobre o ar.

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