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Algo mais leve que o hidrogênio para se ter mais empuxo?

Prezado professor,

Sou o mesmo que agora pouco enviou uma mensagem querendo saber um monte de coisas. Gostaria de saber uma outra que talvez saiba me dizer. Existe algo que cause um empuxo mais forte do que um balão de hidrogênio? Um gás mais leve que esse, por exemplo? Ou ainda criar um balão a vácuo  (se criássemos um balão a vácuo seria possível conseguirmos quanto a mais de força de empuxo em relação à força dada pelo hidrogênio? Ou então: haveria algum outro jeito tal como um formato no balão que aumente o empuxo ou alguma outra coisa p tal finalidade? O senhor sabe me dizer se há algum jeito? Porque pergunto isso: estudo para ser piloto de avião, sou apaixonado pela aviação, e um sonho que tenho e que não sei se é possível pelas leis físicas é uma aeronave muito pequena com poucos metros quadrados de asa q pudesse voar sem stall a velocidades baixíssimas tal como 2kt. Uma opção p isso seria um vai ao cujo corpo fosse inflado por gás hélio mas acho q o avião teria q ficar grande p comportar todo o gás necessário para nós colocar em um peso tal q o stall fosse abaixo de 2kt. O que o senhor me diz?

Respondido por: Prof. Fernando Lang da Silveira - www.if.ufrgs.br/~lang/

O empuxo em um balão depende, de acordo com a Lei de Arquimedes, apenas do volume que o balão ocupa dentro do fluido, no caso o ar atmosférico, e do peso específico do fluido (peso do fluido por unidade de volume). Não depende nem da forma do balão, nem do gás que nele está contido.

É um equívoco recorrente pensar que o empuxo dependa da densidade ou peso específico do conteúdo do corpo imerso em um fluido pois o empuxo é uma força exercida pelo fluido no corpo imerso. Tal está bem expresso na Lei de Arquimedes, que aliás NÃO deve ser chamada de Princípio de Arquimedes conforme posto em Princípios e Leis em Física.

A força de ascensão em um balão (desprezando-se a força de resistência ou de arrasto do ar caso o balão esteja em movimento de ascensão) é a diferença entre o empuxo e o peso do balão. Então usar um gás mais leve que o ar é necessário para se ter de fato uma força de ascensão.

A densidade do ar atmosférico próximo da superfície (portanto a 1 atm) da Terra é cerca de 1,2 kg/m3  e do hidrogênio é cerca de de 14 vezes menor, portanto 0,09 kg/m3 (kgf é a abreviatura para quilograma-força e 1 kgf vale aproximadamente 10 newtons). Os pesos específicos do ar e do hidrogênio resultam então ser respectivamente 1,2 kgf/m3 e 0,09 kgf/m3. Ou seja, se desprezarmos o peso do invólucro de um balão (o que é uma suposição irreal já que a parede do balão tem um peso importante), teríamos em um balão de hidrogênio uma força de ascensão máxima de (1,2 – 0,09)= 1,1 kgf por metro cúbico de balão. Caso fosse possível fazer um balão com vácuo, o ganho em força de ascensão seria pequeno pois ela passaria de 1,1 kgf para 1,2 kgf por metro cúbico.

Se pudéssemos preencher uma aeronave com hidrogênio ao invés de ar, dado que a densidade média da aeronave é muito maior do que a densidade do ar, a força de ascensão não existiria (apesar de existir o empuxo estático do ar) pois o peso da aeronave preenchida com hidrogênio (ou até evacuada) é muito maior do que o empuxo estático do ar.

Espero que vás em frente em teu sonho de ser piloto de avião. Recomendo-te especialmente uma edição da Revista Física na Escola da Sociedade Brasileira de Física que tratou em alguns artigos da física do voo de aviões.

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