Como um drone pode voar? Física lógico!

Os drones estão se popularizando, temos pessoas trabalhando com drones para levantamentos aéreos, filmagens de eventos entre outras atividades. Mas para o uso recreativo que o drone está ganhando muito espaço. Quem tem um drone faz vídeos e fotos em ângulos bem diferentes. Os drones são bastante populares nos dias de hoje, e você pode obter um bom sem gastar muito dinheiro.

Pequenos drones são fáceis de voar, pois tem muita tecnologia que ajudam na redução da curva de aprendizado. Em poucas horas de treino você pode voar com uma desenvoltura aceitável. Mas como um drone realmente voa? Ah, com toda certeza é física pura que faz o drone voar, vamos aproveitar e matar essa curiosidade de como tudo funciona.

Movimento Vertical

Os drones usam rotores para propulsão e controle. Você pode pensar em um rotor como ventilador, porque eles funcionam praticamente dessa forma. As hélices empurram o ar para baixo. Claro, todas as forças vêm em pares, o que significa que quando o rotor empurra para baixo no ar, o ar empurra o drone para cima. Quanto mais rápido os rotores giram, maior a força para cima e vice-versa.

Um drone pode fazer três coisas no plano vertical: pairar, subir ou descer. Para pairar, o impulso dos quatro rotores empurrando o drone para cima deve ser igual à força gravitacional que o puxa para baixo. Fácil! Para subir aumente o impulso (velocidade) dos quatro rotores, de modo que haja uma força ascendente maior que o peso do drone. Para descer você diminuiu o impulso aos poucos e a força da gravidade empurra ele para baixo.

Rotação

Digamos que você tenha um drone voltado para o norte e você quer girar para o leste. Como você consegue isso, alterando a potência para os quatro rotores? Antes de responder, vou desenhar um diagrama dos rotores (visto de cima) rotulado de 1 a 4.

Nesta configuração, os rotores vermelhos estão girando no sentido anti-horário e os verdes estão girando no sentido horário. Como os dois conjuntos de rotores girando em direções opostas, o momento angular total é zero. O momento angular é muito parecido com o impulso linear, e você o calcula multiplicando a velocidade angular pelo momento de inércia. Opa, espere. Qual é o momento de inércia? É semelhante à massa, exceto que se trata de rotação. Sim, é bastante complicado, mas tudo o que você precisa saber é que o momento angular depende da rapidez com que os rotores giram.

Se não houver torque no sistema (o sistema aqui sendo o drone), então o momento angular total deve permanecer constante (zero neste caso). Apenas para tornar as coisas mais fáceis de entender, direi que os rotores vermelhos no sentido anti-horário têm um momento angular positivo e os rotores verdes no sentido horário têm um momento angular negativo. Atribuirei a cada rotor um valor de +2, +2, -2, -2, que deixa o resultado zero (deixei as unidades de lado).

Digamos que você deseja girar o drone para a direita. Suponha que eu diminua a velocidade angular do rotor 1, de modo que agora ele tenha um momento angular de -1 em vez de -2. Se nada mais acontecesse, o momento angular total do drone seria de +1. Então, o drone gira no sentido horário para que o corpo do drone tenha um momento angular de -1.

Mas espere! Diminuir a rotação do rotor 1 faz com que o drone girasse, mas também diminuiu o impulso do rotor 1. Agora, a força ascendente líquida não é igual à força gravitacional, e o drone desce. Pior ainda, as forças de impulso não são equilibradas, então as pontas do drone do rotor 1 descem. Não se preocupe, podemos consertar isso.

Para girar o drone sem criar todos os outros problemas, diminua a rotação do rotor 1 e 3 e aumenta a rotação para os rotores 2 e 4. O momento angular dos rotores ainda não é igual a zero, de modo que o corpo do drone deve girar. Mas a força total permanece igual à força gravitacional e o drone continua pairando. Uma vez que os rotores de impulso inferiores estão diagonalmente opostos um do outro, o drone ainda pode permanecer equilibrado.

Movimento para frente e para trás ou lateral

Qual é a diferença entre avançar ou retroceder? Nenhuma, porque o drone é simétrico. O mesmo vale para o movimento para os lados. Para avançar, é preciso de um impulso nos rotores para frente. A figura abaixo mostra uma vista lateral (com as forças envolvidas) de um drone movendo-se a uma velocidade constante.

Como se consegue colocar o drone nesta posição? Você aumenta a taxa de rotação dos rotores 3 e 4 (os traseiros) e diminuir a taxa dos rotores 1 e 2. A força de impulso total permanecerá igual ao peso, de modo que o drone permanecerá no mesmo nível vertical. Além disso, uma vez que um dos rotores traseiros estão girando no sentido anti-horário e o outro no sentido horário, a rotação aumentada desses rotores ainda produzirá momentâneo angular zero. O mesmo vale para os rotores da frente, logo o drone não gira. No entanto, a maior força na parte de trás do drone significa que irá inclinar para a frente. Agora, um ligeiro aumento no impulso para todos os rotores produzirá uma força de impulso no sistema (drone) que possui uma força para equilibrar o peso juntamente com uma força de movimento para a frente.

Usando um Computador

Até agora, você certamente notou que cada movimento é realizado alterando a taxa de rotação de um ou mais rotores. Fazer isso requer uma controladora que possa aumentar ou diminuir a tensão de cada rotor. Para ajustar todos os rotores é utilizado uma controladora que nada mais é que um processador com um software instalado (computador).

Utilizamos um controle remoto para controlar o drone. Quando você empurra o joystick com o polegar para ele ir para frente o resto é realizado pela controladora. Um acelerômetro e um giroscópio no drone podem aumentar ainda mais a facilidade e a estabilidade do vôo fazendo pequenos ajustes no impulso de cada rotor. Adicione um sistema de GPS e você pode se livrar de um operador humano completamente. Então, veja que voar um drone é fácil com toda essa tecnologia embarcada, mas ainda é bom entender a física por trás disso.