Em
aerodinâmica a barreira do som é a aparente barreira física que
dificulta grandes objetos de atingirem velocidades supersônicas. A
expressão foi criada durante a Segunda Guerra Mundial.
Diversos
aviões começaram a se deparar com os efeitos da compressibilidade do ar e
vários outros efeitos aerodinâmicos não relacionados à compressibilidade e
começou a sair de uso nos anos 1950 quando aviões passaram a
"quebrar" a barreira do som rotineiramente.
Resumo histórico
O som viaja
através de ondas, usando um meio de propagação, no nosso caso o ar. Essas ondas
são chamadas "ondas de pressão" e desenvolvem-se da mesma maneira quando
jogamos uma pedra sobre um lago.
Uma
onda circular se forma no ponto em que a pedra atinge o lago e se afasta,
expandindo-se a uma velocidade constante. Se atirarmos várias pedras no
mesmo ponto em intervalos regulares, formaremos ondas concêntricas.
É o que
ocorre com um emissor sonoro, como o avião. A velocidade de propagação dessas
ondas é o que chamamos de velocidade do som, que ao nível do mar em
condições de atmosfera padrão é de 1 226 km/h, e diminui com a
queda da temperatura do ar.
Ficou
convencionado que, quando um avião se desloca com uma velocidade igual à do
som, ele está voando a Mach 1. Esta unidade é uma homenagem ao físico austríaco
Ernest Mach que, pela primeira vez, mediu a velocidade de propagação do
som no ar.
Quando
um objeto qualquer, como um avião, se desloca na atmosfera, comprime o ar à sua
volta, principalmente à frente, criando ondas de pressão. Todavia, quando um
avião voa a uma velocidade inferior à do som, as ondas de pressão viajam mais
rápido, espalhando-se para todos os lados, inclusive à frente do avião. Assim,
o som vai sempre na frente.
À vista
disso, se um objeto atingir a velocidade Mach 1, ou seja, a velocidade de
deslocamento de suas ondas de pressão, este estará comprimindo o ar à sua
frente e acompanhando as ondas de pressão (o seu próprio som) com a mesma
velocidade de sua propagação. Isso resulta num acúmulo de ondas na parte
frontal do avião
Se o
avião persistir com essa velocidade por algum tempo, à sua frente se formaria
uma verdadeira muralha de ar, pois todas as ondas formadas ainda continuariam
no mesmo lugar em relação ao avião.
Esse
fenômeno é conhecido como Barreira Sônica. Além disso, se o objeto continuar
sendo acelerado, ele estará deixando para trás as ondas de pressão que vai
produzindo. Um avião só pode atingir velocidades supersônicas se, entre outras
coisas, sua aceleração permitir uma passagem rápida pela velocidade de
Mach 1, evitando a formação da Barreira Sônica.
Estrondo Sônico
Quando
o ar em fluxo supersônico é comprimido, sua pressão e densidade aumentam,
formando uma onda de choque. Em voo supersônico (com velocidades acima de Mach
1), o avião produz inúmeras ondas de choque, sendo mais intensas as que se
formam nas partes dianteira (bordo de ataque) e posterior (bordo de fuga) das
asas e na parte terminal da fuselagem.
As
ondas de choque geradas por um avião em voo supersônico não são ouvidas quando
o objeto se aproxima do observador, pois o objeto viaja a uma velocidade
superior que o som produz.
Sendo
assim, apenas após a passagem do avião que o observador poderá ouvir suas ondas
emitidas. Este período é conhecido como “Zona de silêncio e de ação”.
Quando
o objeto, ultrapassa o espectador a perturbação dessas ondas e pressão alastram
em direção ao solo, causando um estampido, conhecido como “Estrondo Sônico”.
Como as
asas da aeronave geram regiões de baixa pressão, devido sua sustentação, em
altas velocidades esses distúrbios de baixa pressão são amplificados, como nas
condições de voo sônico.
Sendo
assim, a pressão que é reduzida condensa a água no ar, gerando uma nuvem de
vapor e à medida que ocorre a aceleração a nuvem de vapor passa a aparecer na
parte traseira da aeronave. Desse modo, quando a onda de choque é perturbada, o
vapor desaparece e a barreira de som é “quebrada” gerando o estrondo nas
regiões.
A
intensidade desse fenômeno depende de vários fatores, tais como as dimensões do
avião, velocidade do voo e altitude. Desse modo, o estrondo pode ser forte o
suficiente para produzir danos materiais no solo, como quebra de vidros,
rachaduras em paredes, muros e outros estragos.
Para
mais, sua intensidade é maior diretamente abaixo da trajetória de voo,
diminuindo à medida que nos afastamos em ambos os lados. O Concorde operava
em velocidades supersônicas (Mach 2.02) sobre o mar, acelerando após deixar o
continente e alcançar altitudes elevadas, minimizando os efeitos danosos.
Quando
um avião se aproxima da velocidade do som o ar passa a fluir de uma
maneira diferente ao redor de suas superfícies e se torna um fluido
compressível. Além de uma série de mudanças na forma, por exemplo, como a força
de sustentação é gerada, esta mudança também produz um incremento elevado no
arrasto, conhecido como onda de arrasto.
Inicialmente
a onda de arrasto não era devidamente compreendida. Acreditava-se que ela
crescesse exponencialmente, o que, efetivamente, ocorre dentro de uma pequena
faixa de velocidades. Com a força limitada que motores à explosão são
capazes de gerar, os aviões não podiam superar este rápido aumento no arrasto.
Grandes
incrementos de potência produziam pequenos incrementos de velocidade.
Aparentemente seria necessária uma quantidade infinita de força para
alcançar-se velocidades supersônicas e daí surgiu a noção da barreira do som.
Membros
da artilharia já haviam superado está noção. Começando com Ernst Mach no
século XIX, eles compreendiam que após determinado ponto, o arrasto não
aumentava mais, na verdade voltava a cair.
O
desafio passou a ser como produzir o empuxo necessário. Com a criação da asa em
V que reduz o arrasto, e do motor a jato capaz de produzir a potência
necessária, nos anos 1950 diversas aeronaves eram capazes de voos
supersônicos com relativa facilidade.
Chuck Yeager (então
um major da Força Aérea dos Estados Unidos, mais tarde um general de
brigada) foi a primeira pessoa a quebrar a barreira do som em um voo horizontal
em 14 de outubro de 1947, pilotando um Bell X-1 experimental e alcançando
Mach 1 a uma altitude de 15 000 m (45 000 pés).
George
Welch fez uma alegação plausível, mas não verificada, de que teria quebrado a
barreira do som 14 dias antes de Yeager, durante um mergulho em um F-86 Sabre.
Além disso, alegou, também, ter repetido seu voo supersônico 30 minutos antes
do voo de Yeager.
Hans
Guido Mutke alegou ter quebrado a barreira do som antes de Yeager, em 9 de
abril de 1945 em um Masserschmitt Me 262. Entretanto está alegação é
desacreditada pela maioria dos especialistas e não parece ter base científica.
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