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Tudo que você ainda não sabia sobre Barreira do Som

O que é a barreira do som?
 

A barreira do som é um mito. O termo surgiu durante a Segunda Grande Guerra, quando os aviões tornaram-se rápidos o suficiente para sofrer os efeitos da compressibilidade do ar. A partir de uma determinada velocidade (denominada “Mach de divergência”), o arrasto total da aeronave aumentava drasticamente.
Havia quem teorizasse que a velocidade supersônica jamais seria atingida, pois esta componente extra (chamado “arrasto de onda”) cresceria exponencialmente ao se acelerar a aeronave, dando início à idéia de uma parede nos céus, ou seja, a barreira do som.
O falso conceito foi superado, porém ficou a expressão, que, em termos corriqueiros, significa que o avião rompeu Mach 1, ou seja, tem velocidade superior à do som.
O que se passa em torno do avião quando ele passa a voar supersônico?
Em vôo supersônico, o encontro do ar com o nariz do avião forma uma onda de choque em formato de arco. Conforme se acelera, esta inflexão fica cada vez mais inclinada para trás, adotando a forma de um cone (“Cone de Mach”).

Além do choque frontal, forma-se um outro logo atrás da cauda. Ao passar por essas oscilações, o ar sofre violentas variações de pressão. Entre os extremos da estrutura, o escoamento colide com outras partes da aeronave (capota, entradas de ar, aerofólios), gerando ondas de choque de menor intensidade. Seus efeitos tendem-se a se misturar com os choques principais a alguma distância da aeronave.
Curiosamente a maior parte dos aviões supersônicos tem asas de perfil subsônico. Isso é possível, adotando um enflechamento das asas suficiente para que, em todo o envelope operacional: O bordo de ataque esteja dentro do Cone de Mach; e  A componente da velocidade perpendicular ao bordo de ataque seja menor que Mach 1.
O Mirage III é um exemplo clássico deste recurso de projeto.
  
Como o avião mede a velocidade supersônica?
  
Os aviões supersônicos e os protótipos em campanha de ensaios em vôo normalmente optam por instalar seus sensores anemométricos (pressão total e pressão estática) e de temperatura fora do escoamento perturbado pela aeronave. Assim, colocam-nos em um longo tubo à frente do nariz da aeronave.

O som, como sabemos, viaja através de ondas, usando um meio de propagação, no nosso caso o ar. Essas ondas, chamadas ondas de pressão, 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.

Jatos das forças aéreas movidos pelas mais potentes turbinas super sônicas que existem no mundo, esses são os veículos que protegem os céus dos países que levam as suas marcas. Um dos seus modelos mais poderosos é o MIG 25 e, segure-se, ele pode atingir inacreditáveis 3000 km/h e voar a até 24000 metros do chão.

Esses jatos são equipados com as mais poderosas armas existentes no mundo (claro, excluindo as armas nucleares e super bombas), tudo para garantir que as missões mais impossíveis sejam concluídas com sucesso sem que estes sejam percebidos. Você pode ver um pouco mais sobre como os jatos conseguem se tornar quase invisíveis e indetectáveis lendo a nossa matéria sobre Como funcionam os aviões invisíveis?

O FUNIL EXPLOSIVO
 

Por que falar sobre jatos silenciosos em uma matéria sobre som? Simples, porque eles são os únicos veículos que conseguem ultrapassam a barreira do som. Legal, mas o que é a barreira do som?

A barreira do som é a velocidade máxima que algum corpo pode atingir sem atropelar as ondas sonoras emitidas por si próprio, explicando de uma maneira mais fácil, é quando os jatos ultrapassam a velocidade de propagação do som que eles mesmos emitem.

Ao se movimentar no ar, uma barreira em forma de funil se projeta saindo da ponta do jato e indo para o seu lado oposto, como se fosse um rastro. Quanto mais o jato acelera e aumenta sua velocidade, mais o funil vai diminuindo e se aproximando de suas asas e, aos 1200 km/h, esse funil atinge seu corpo, causando um estrondo parecido com uma explosão, nesse momento a barreira do som foi quebrada.

MAIS RÁPIDO QUE SEU PRÓPRIO SOM!
 
Por que aos 1200 km/h? Porque essa é exatamente a velocidade de propagação do som, como o jato ultrapassa essa velocidade, nenhum outro estrondo será emitido, pois mesmo que as ondas sonoras continuem a se propagar, elas ficaram para trás, já que o corpo que emite os ruídos é mais rápido que o próprio som.

O que o piloto sente quando o avião ultrapassa a velocidade do som?
 
Depende do projeto do avião. Nos aviões da década de 1940 e 50, poderia surgir alguma característica indesejável de pilotagem durante a aceleração transônica, devido à formação de ondas de choque sobre as asas e estabilizadores.
Depois desta época, fórmulas consagradas se impuseram e minimizaram este tipo de interferência. Dois efeitos, entretanto, devem ser obrigatoriamente resolvidos pelos sistemas de bordo: Aerodinâmico: em vôo supersônico, as forças aerodinâmicas de sustentação e arrasto se redistribuem pela aeronave, assumindo um novo perfil. O sistema de comandos de vôo deve ser projetado de modo a filtrar esse evento, reposicionando automaticamente os comandos de arfagem, sem provocar descontinuidade na manobra executada pelo piloto. O Mirage III, por exemplo, move automaticamente a posição de neutro do manche para trás nesta condição; e Anemométrico: na transição para o vôo supersônico, também se forma uma onda de choque à frente dos sensores anemométricos do avião. Para superar este efeito, são aplicadas fórmulas de conversão para traduzir valores de pressão em informações para o piloto (velocidade, altitude…) diferentes do vôo subsônico. Esta é a razão, por exemplo, que os pilotos de F-5E testemunham variações bruscas e instantâneas nos seus instrumentos de bordo, ao superar a velocidade do som.
Concluí-se que, voando uma aeronave de combate moderna, o vôo supersônico ocorre sem nenhuma indicação ao piloto, exceto pelas marcações de velocidade e altitude.
 
Quais efeitos se sentem no chão?
 

A um observador no solo, as variações de pressão decorrentes do vôo supersônico são sentidas como o impacto de uma onda sonora. A seqüência de compressão e descompressão dura um décimo de segundo ou menos. O “boom sônico” pode parecer desde um estampido similar ao som de um surdo (instrumento musical) a uma breve, mas forte explosão (excedendo 200 decibéis). Ocasionalmente os dois picos (estampidos) seguidos podem ser percebidos.
A força da onda de choque depende de uma série de fatores ambientais e de projeto. Seu efeito pode resultar em danos psicológicos ou materiais, como quebra de janelas, rachaduras em construções, etc. Os maiores prejuízos são provocados sob a trajetória do avião, podendo se estender por até cem quilômetros de distância. Existem manobras que possibilitam a concentração das conseqüências.

O Concorde operava em velocidades supersônicas (Mach 2.02) sobre o mar, acelerando após deixar o continente e alcançar altitudes elevadas, minimizando os efeitos do estrondo sônico.

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 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 esta 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 vôos supersônicos com relativa facilidade.


BelChuck 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 vôo horizontal em 14 de outubro de 1947, pilotando um l X-1 experimental e alcançando Mach 1 a uma altitude de 15 000m (45 000 pés).
George WWelch 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. Ele também alegou ter repetido seu vôo supersônico 30 minutos antes do vôo de Yeager.

 

 


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