Origem dos vórtices
A turbulência da vigília é fácil de entender quando você sabe como uma asa cria sustentação: desviando o ar que flui através dela para baixo. No esta resposta, Eu tinha usado a simplificação de apenas acelerar para baixo todo o ar que flui através de um círculo com um diâmetro igual à envergadura e deixando todo o outro ar inalterado.
Isso ajuda a entender o princípio da criação de elevação, mas é muito simples, é claro, porque o movimento descendente do ar criará um vazio acima dele, e o ar abaixo deve dar lugar a esse tubo de corrente em movimento descendente. Além disso, o campo de pressão ao redor da asa também afetará o ar nas proximidades do tubo de fluxo e, consequentemente, o ar de baixo será empurrado para o lado já pela asa, e o ar acima começará a fluir em direção à área de baixa pressão sobre a asa. Esse movimento lateral se tornará mais pronunciado à popa da asa, de modo que o ar seja continuamente pressionado para fora abaixo do rastro da asa, mova-se para a esquerda e direita dele e para dentro acima do rastro. A inércia do lavador de roupas mantém-no se movendo para baixo por vários minutos, deslocando continuamente o ar abaixo dele e sugando mais ar para o espaço acima, e isso resultará em dois vórtices girando atrás da asa. Esta é a rolagem do velório (veja o desenho abaixo, tirado de esta fonte).
Os vórtices são apenas uma conseqüência do movimento descendente da esteira, e isso, por sua vez, é uma conseqüência da criação do elevador. Observe que os núcleos dos vórtices estão mais próximos que a envergadura! Isso, por si só, deve deixar claro que eles não são causados pelo ar que flui em torno das pontas das asas, um equívoco difícil de extinguir. A tabela abaixo fornece cálculos desse espaçamento do vórtice.
A tabela também é do Papel carten de 1971; observe a inclusão do projeto 2707 da Boeing!
Força dos vórtices
Se voltarmos novamente à aproximação simplificada do tubo de corrente, a elevação é proporcional à massa de ar que flui através dela por unidade de tempo vezes o ângulo de deflexão. Se a sustentação for igual à massa da aeronave (como deveria ser), as aeronaves pesadas precisam acelerar mais ar (maior alcance) ou acelerar mais o ar (maior ângulo de deflexão) do que as aeronaves leves na mesma velocidade. Um ângulo de deflexão mais alto produzirá vórtices mais poderosos. Por esse motivo, uma aeronave pesada em baixa velocidade e com uma envergadura pequena produzirá os vórtices mais fortes.
Como mais ar flui através do tubo de fluxo a uma velocidade de vôo mais alta, voar mais rápido exigirá menos deflexão, tornando os vórtices de esteira mais fracos. Se a aeronave subir, o ar se tornará menos denso com a altitude e haverá menos fluxo de massa sobre a asa, de modo que os vórtices ficarão mais fortes se a velocidade do vôo não mudar. Normalmente, a aeronave acelera ao subir e a força do vórtice permanece a mesma se a aeronave voa a pressão dinâmica constante.
Os vórtices podem ser evitados de três maneiras:
- Extensão infinita da asa (significando fluxo de massa infinito, portanto não é necessária nenhuma deflexão para qualquer elevação)
- Velocidade infinita (novamente, fornece fluxo de massa infinito)
- Sem peso da aeronave. Voar com uma parábola de zero-g realmente produz quase nenhuma turbulência.
Fim dos vórtices
A inércia manterá a esteira se movendo para baixo e os vórtices girando, mas o atrito permitirá que esses movimentos do ar diminuam em alguns minutos. Se a aeronave voa alto, a esteira é dissipada muito antes de atingir o solo. A esteira de aeronaves voando baixo, no entanto, atinge o solo e é desviada. O tubo de vórtice agora age como uma roda e começa a se mover para fora e, se houver um vento cruzado suficiente, o vórtice de barlavento pode ser preso como no esboço à direita abaixo (também no relatório Carten).
Evidência fotográfica
Há muito muitas fotos bonitas ao redor de vórtices para não incluir alguns, então vou adicionar alguns aqui:
Você pode ver que os esteiras externas dos motores deste Boeing 747 envolvem as esteiras dos motores internos. Isso mostra como o ar é empurrado para baixo na sequência da asa e que os centros dos vórtices estão levemente dentro dos motores externos.
Os traços de condensação originados nas pontas das asas deste A340 movem-se para cima e para cima, mostrando novamente que o vórtice não se origina das pontas, mas se forma atrás da asa e com uma distância entre os dois núcleos do vórtice substancialmente menor que a envergadura.
Essas duas imagens mostram como a lavagem da esteira está cortando um sulco nas nuvens.
MD-11 em um dia úmido, abas definidas para o pouso. Um, mostra o quão insignificante o vórtice da ponta é comparado à vorticidade derramada nas pontas do retalho; e o segundo mostra como o vórtice da ponta se move para dentro e começa a ser sugado pelo vórtice da esteira. Observe também os vórtices da ponta da cauda!