Medindo o Empuxo Estático


Finalmente você criou coragem e adentrou no aero elétrico. Então você desenhou seu próprio modelo, fez a planta e as estimativas de carga alar e peso final. Muito bem! Aí você tem aquele motor que tirou de um carrinho com uma redução improvisada e uma hélice herdada de um modelo à elástico, e ainda aquela bateria de telefone sem fio que você tem esperança que sirva. Bom, ligando na bateria e sentindo com a mão o motor faz um vento razoável... Será que ele serve?

Para que você mesmo responda a essa pergunta é que estaremos falando aqui sobre como medir o empuxo, que nada mais é do que a força com que o conjunto de propulsão "puxa" seu modelo pra frente. Dizemos empuxo estático porque esta medição é feita com o conjunto parado; mesmo não sendo uma medida precisa ela dá uma boa idéia da capacidade do seu motor.

Muito se diz sobre o empuxo estático e nem sempre as fontes concordam entre si. Assim, resolvi fazer um apanhado das informações mais razoáveis e mesclar com minha experiência própria para colocar aqui. É claro que estamos abertos às contribuições técnicas de qualquer expert de plantão! :-)
No caso dos modelos elétricos, a melhor unidade de medida para empuxo estático é o grama. Assim, quando dizemos que tal conjunto de motor,bateria e hélice tem 150 gramas de empuxo estático estamos nos referindo à força com que este motor impele o avião parado.

Na prática, generalizando um pouco, temos que um modelo para voar não deve pesar mais que 3 vezes o empuxo estático e para voar bem este valor deve ficar em torno de 2 vezes. Assim, no caso do motor acima temos que, para voar, o peso final deste modelo deve ser 450 gramas, mas para voar bem, com uma margem razoável de potência este peso não deve ultrapassar 300 gramas. Importante: isso é para voar! Para aquelas fantásticas acrobacias aéreas e torque-rolls da vida comece pensando num empuxo de 1:1 ou até maior, bem maior...

É claro que não estamos levando em consideração aqui outros fatores definitivos, como carga alar ou velocidade final do modelo; a intenção aqui é ajudar a definir um valor mínimo de empuxo para conseguir fazer um aeromodelo voar e testar conjuntos alternativos, que não sejam "padrão" no mercado.
Ok, entendido como funciona o empuxo estático, chega de teoria e vamos à alguma prática. Como medi-lo?


Pra começar vai precisar de uma balança doméstica. Há modelos bastante sofisticados, digitais, mas bem caros. Como o objetivo é baratear eu achei este modelo da foto por R$12,00. Não é exatamente preciso, mas a resolução de 10 gramas dá uma boa idéia na hora da medição e a aparência de espiga de milho é o must!

Um multímetro não é obrigatório, mas pode ser muito proveitoso. Com ele você consegue medir a corrente consumida pelo motor para fornecer tal empuxo e assim definir um speed control e estimar seu tempo de vôo. Como trabalho com eletrônica eu já tinha o meu; mas não é tão caro quanto pode ser útil...

Para efetuar a medição propriamente você precisará construir um suporte como o da foto. A função dele é segurar o motor e converter seu empuxo horizontal num peso, que será medido pela balança. A altura da haste vertical deverá ser suficiente para permitir testes com a maior hélice que se pretende usar.

Outra coisa importante: a haste horizontal, que ficará apoiada no prato da balança deverá ter o mesmo comprimento que a vertical, ou sua medida não será verdadeira. Considere como comprimento a distância entre eixo da hélice e o apoio no suporte e a distância entre este e o ponto que pressiona o prato da balança.


E, é claro, você vai precisar de motores com ou sem redução, algumas hélices diferentes e também alguns packs de bateria, com diferentes capacidades e número de células.
Para o meu teste eu usei um motor 180 com redução 5:1, um motor "Optek" 250 direct drive e dois motores GM120 de 3 volts ligados em série, também sem redução. Os packs de bateria são todos de NiMh, mas tem um de 350mA/h com 7 células, um deste com 8 células e um de 1000mA/h com 8 células.
Fora estes testei também um fan elétrico que ainda está em fase de desenvolvimento. O fan usa uma técnica um pouco diferente, mas bastante simples para medir o empuxo.

Uma vez que você tenha feito o suporte e conseguido os equipamentos, o procedimento para o teste é bastante simples: basta prender o motor no suporte e o suporte na mesa (como esta não é uma colagem definitiva eu recomendo o uso de cola quente, em pequena quantidade, apenas suficiente para fixar), apoiar o braço horizontal na balança e zera-la e fazer as conexões elétricas para ligar o motor.

O primeiro teste foi com dois motores 120 ligados em série, uma propulsão que eu tensionava usar num modelo bimotor. Estes motores são bastante baratos, porém trabalham com 3 volts e acima disso sua corrente de consumo é absurda e sua vida útil, inútil :-D. Ligando em série e usando um pack de 8,4 V, cada motor receberia pouco mais de 4 V, viabilizando seu uso.

Os motores foram fixos com cola quente, posicionados no "T" do suporte, distantes um do outro apenas o suficiente para dar espaço às hélices. A ligação dos fios na parte traseira não deve impedir de forma alguma o avanço dos motores, assim deixe uma folga razoável em todos eles. Lembre-se de fixar o suporte e a balança na mesa com uma gota de cola quente, para que não saiam da posição quando os motores forem acionados.

Para minha surpresa o resultado do teste foi bastante satisfatório. A indicação do empuxo estático na balança é um pouco tremida, mas perfeitamente legível: obtive 60 gramas de empuxo com o pack de 7 células e, na foto, 90 gramas com o pack de 8 células. Isso, com uma corrente de 2,3 A significa que é um conjunto bastante razoável para um avião de até 200 gramas.

E esta é a prova dos 9! Montei o Catalina Profile da foto acima e coloquei nele este sistema de propulsão. O peso final deste modelo é de aproximadamente 190 gramas, com o mesmo pack de 8 células do teste e ele voa perfeitamente bem por até 10 minutos, controlando bem a aceleração! Você pode comprovar no vídeo que está disponível clicando aqui ou na sessão de vídeos.

Uma vez comprovado o funcionamento do teste, o resto é história! Com o motor 180 eu usei duas hélices diferentes. Na foto acima você vê o teste com uma hélice GWS 8x6 e o pack de 7 células. Infelizmente não dá pra ver a medição do empuxo na balança, mas é de 90 gramas, com uma corrente de 1,4 A.

Com a mesma bateria e uma hélice 9x7, também da GWS o consumo aumenta significativamente para 2,3 A, mas também o empuxo dá um salto: 140 gramas! Suficiente para tranquilamente voar um Tiger Moth ou um PicoStick! Considerando-se que este motor custa R$5,00 e o original desses modelos mais de R$100,00, um bom negócio, não?

E, a título de curiosidade, aí vai o teste com o motor 250. Temos usado este motor no lugar dos 280 tradicionais com vantagens: ele é mais leve e tem as laterais achatadas, sendo por isso mais fácil de fixar. Com a hélice direct drive 4,5x4 e o pack de 7 células o empuxo é de 80 gramas, com uma corrente de 1,8 A. Fraco, embora eu desconfie que nesta altura esta bateria já estivesse um pouco descarregada...

Já com a mesma hélice e o pack de 8 células a corrente estática salta para 3,6A e o empuxo para 150 gramas. Uma configuração bem razoável para usar nos "Fokkers" de isopor, que têm o peso final em torno de 300 a 350 gramas. Em tempo: a corrente parece bastante alta, mas em vôo ela naturalmente diminui, pois com a velocidade a hélice fica mais "leve" para o motor e depois, não precisa voar com aceleração total o tempo todo, certo?

Usando o multímetro:

Existem alguns cuidados básicos que se deve tomar ao usar um multímetro pela primeira vez. Leia atentamente o manual, nada substitui isso. Na falta dele, preste atenção detalhes ao lado:


* Ao ligar o aparelho, certifique-se de posicionar a escala de maneira correta para aquilo que pretende medir. Se corrente, posisione para ampéres, se tensão, posicione para volts. Sempre use um valor maior do que aquele que você estima que vá medir. Por exemplo, para medir a tensão num pack de 8 células (9,6 V) use a escala de 20 V ou maior.
* Lembre-se que tensão se mede em paralelo com a carga (no caso, o motor) e corrente em série com ela, de acordo com o diagrama ao lado.
* Multímetros analógicos são sensíveis à polaridade, assim, procure coincidir sempre o positivo do aparelho com o positivo do circuito.
* A maioria dos multímetros usa um terminal positivo diferente para a medição de corrente e tensão. Verifique e alterne o plug positivo conforme o caso.
* Se ficar em dúvida, consulte alguém que saiba operar o multímetro corretamente.

Para a medição de empuxo do fan o processo é ainda mais simples: com um suporte reto é só apoiar o fan e a bateria sobre a balança de modo que quando acionada a turbina tracione para cima (convém colar tudo com uma gota de cola quente).
Verifique o peso inicial e ligue o motor do fan. Oberve que o peso irá diminuir. A diferença entre o peso inicial e o final será o empuxo da turbina.
Você pode também colocar o fan para tracionar para baixo, o resultado é o mesmo.
No meu caso, o peso inicial do fan, bateria e suporte foi de 410 gramas. Após acionado o fan este peso caiu para 370 gramas, o que me dá um empuxo de 40 gramas, infelizmente ainda muito pequeno para o que eu preciso :-( .



Este é um modo barato de se medir o empuxo estático. Obviamente que, para aqueles que tiverem acesso a um dinamômetro de precisão o resultado será muito mais preciso. Mas se não for este o caso, o método descrito acima funciona bem. Procure manter o peso máximo do seu avião num valor entre 2 e 3 vezes o valor obtido de empuxo estático e, se tudo o mais estiver bem, ele certamente voará!
E bons pousos!!!