Centro de massa, de gravidade, geométrico e a importância destes para a estabilidade de VANTs.
Assim como qualquer outro sistema que se utiliza de forças mecânicas para realizar suas funções, temos que ter sempre muito cuidado e cautela na análise dos conceitos físicos que irão ter influência sobre o nosso drone. Entre esses conceitos temos o centro de massa, centro de gravidade e o centro geomátrico, que por mais que possam paracer a mesma coisa a primeiro momento, possuem sua diferenças. Nesse artigo analisaremos o que é cada um deles e como os tais se aplicam na dinâmica do nosso VANT.
Todo corpo é possuidor de uma massa, ou seja, uma porção de matéria de determinados elementos que o faz existir em nossa realidade. Quando esse corpo sofre a ação de alguma força que o faz alterar seu estado, por exemplo, de repouso para um movimento acelerado, temos que ele está mudando a sua posição espacial e se dirige para uma outra. Nas representações gráficas desse evento temos sempre a utilização de vetores para a boa compreensão desse fenômeno, os quais se extendem a partir de uma partícula pontual no corpo para a sua extensão em módulo, direção e sentido. De maneira geral, essa partícula pontual a partir da qual o vetor se origina é a representação do centro de massa do corpo.
O centro de massa é uma representação teórica de localização carteziana (dependendo da quantidade de graus de liberdade que o observador quiser utilizar) de um ponto onde toda a massa de um corpo se localizaria se ela fosse concentrada em apenas uma região pontiforme. A função de representrar de maneira adequada o ponto de centro de massa de um determinado corpo é justamente a de saber localizar a origem teorica da resultante do vetor força, ou aceleração, que irá conduzir seu movimento.
O centro de gravidade possui uma função muito semelhante, mas no caso ele se refere ao corpo como que sofrendo a ação de forças gravitacionais, a qual impõe sobre o corpo necessariamente a aceleração da gravidade, a qual aponta sempre para a centro da Terra (quando em fenômenos ocorridos na Terra).
No caso o centro de gravidade, ou centróide, se carateriza como sendo a região central de um corpo levando em consideração apenas a sua disposição geométrica. Nem massa nem forças de qualquer natureza são levadas em consideração nesse conceito, apenas a geometria plena.
Em muitos casos temos que centro de massa e de gravidade trabalham em um ponto coencidente, não porque eles sejam a mesma coisa, mas porque a variação do centro de gravidade para um único corpo só se dá para corpos colossais, visto que a gravidade varia para a distância vertical de um determinado centro de atração garvitaional, variando muito pouco para corpos com poucos metros em suas dimensões, sendo assim essa diferença praticamente insignifiante para pequenas extensões. A grande questão é que a partir desses conceitos podemos trabalhar de maneira adequada para verificarmos o a distrbuição do peso de nossa aeronave.
Tendo em vista como alvo de nosso artigo os multirrotores, é bem conhecido que a sua distribuição de peso para que a aeronave levante voo é feita ao longo de seu conjunto de motores e hélices. Através do sistema da placa controladora, dos elementos da unidade de mensura inercial (IMU) e dos ESCs, o drone distribui energia para que os motores possam atuar de maneira a responder ao comando de voo do jeito mais estável possível, sendo o comando ficar de pairando em ar ou o de realizar manobras, é o conjunto motor/hélice que é mais exigido para realizar essa função.
O que acontece é que quanto mais balanceado estiver o peso da aeronave e melhor bem distribuido ao longo de seu corpo, mais próximo estarão o seu centro de massa e de gravidade do seu centro geométrico, o que fará com que os motores possam atuar de maneira equilibrada entre eles, sem exigir mais de um ou de outro para manter a estabilidade da aeronave.
Por outro lado, um peso mal distribuido fará com que os sistemas de correção de voo exijam mais de alguns motores do que outros para que a aeronave permaneça em sua posição ou realize a manobra solicitada. Isso pode gerar problemas como diminuição de vida útil dos motores, vibrações indesejadas que podem levar ao desprendimento ou colapso de elementos de sustentação como parafusos e afins (vejam artigos ateriores sobre vibrações e efeitos de ressonância para drones), ou até mesmo a inavegabilidade da aeronave, isto para desequilíbrios de peso grotescos os quais não consigam ser corrigidos pela ação de compensação da conjunto motor/hélice.
Esses pontos ficam ainda mais importantes quando levamos em consideração drones de maiores proporções, ou drones que carreguem equipamentos atuadores que possuam peso relevante os quais desloquem os pontos de centro de gravidade e de massa mais distantes do centróide do drone. Levando em consideração que tais pesos inevitavelmente trarão maior efeito de torque atuante para os braços e as héices, o projeto do VANT pode precisar de mais cautela na escolha do seu material estrutural para composição desses componentes, isso porque eles poderão ter de aguentar esforços maiores do que o necessário se o peso estiver disposto de uma maneira incauta, e dependendo da qualidade do material escolhido para compor o corpo do equipamento, ele pode vir a romper-se na repetição de certos esfoços, o efeito fadiga, fazendo desta uma questão de grande importância no que se diz respeito à distribuição de massa ao longo do equipamento.
Por mais que a tecnologia sempre venha com a proposta de fornecer ao usuário uma experiência de diminuir as suas preocupações ao utilizar um equipamento ou outro, o conhecimento dos fenômenos que interferem em suas funções sempre será um diferencial para aqueles que buscam aliar o conhecimento teórico e acadêmico com a prática daqueles que convivem com o meio técnico. Aliar esses dois conhecimentos será a chave para aqueles que buscam diferenciação em meio ao mercado que se apresenta cada vez mais competitivo.
Escrito por Diogo Santiago Sobral, Engenheiro Mecânico.
Fonte da imagem: taikatranslations.com/engineering-translation
