Acho que na primeira vez que ouvi alguém falar de “romper a barreira do som”, aquilo me soou até um pouco mais sobrenatural do que, por exemplo, um monte de alumínio pesando mais de 77000 kg levantar voo e levar até 180 passageiros de um lugar para o outro. Por uma feliz coincidência, a mesma ciência que me fez entender um, me fez entender o outro. Embora até hoje, depois de ter estudado um pouco de aerodinâmica, me impressiona ver vídeos de caças rompendo a barreira do som.

Mas o que tem a ver som e velocidade? Por que o som é uma espécie de limite físico para velocidade de um objeto qualquer? O que acontece quando essa “barreira” é rompida? Existem exemplos de comportamentos supersônicos mais próximos do nosso dia-a-dia?

 

O que é som?

A gente pode definir som como “tudo aquilo que é percebido pelo sentido da audição”. Por simplicidade, vamos imaginar que o nosso ouvido é uma membrana hipersensível que sempre que vibra, comunica para o nosso cérebro essa informação chamada som.

Agora imagine que alguém dá uma batida em um sino. A vibração metálica perturba o ar das redondezas do sino e essa perturbação no ar, por sua vez, perturba o ar adjacente a essa primeira camada de ar e assim por diante, até que, por fim, essa perturbação acaba chegando na nossa membrana hipersensível, o ouvido.

Colocando em termos físicos, o que acabamos de descrever é o processo de propagação de uma onda sonora. Uma boa maneira de visualizar a propagação de uma onda longitudinal (como é o som) é com uma daquelas molas malucas.

Perceba que essa propagação do som tem uma velocidade (finita) associada, ou seja, quando o fenômeno que vibra o ar acontece (a batida do sino no nosso exemplo), ele demora um certo tempo até chegar aos nossos ouvidos. Em geral esse tempo é muito rápido, mas não é instantâneo.

Um exemplo comum para perceber isso está na diferença entre o tempo do relâmpago (luz) e do trovão (estrondo). Se um raio cai muito distante de onde estamos, o som que ele provoca demora alguns segundos até chegar onde estamos (a distância inclusive pode ser facilmente calculada).

Podemos visualizar a propagação da onda sonora no nível de partículas de ar. O objeto que produz som perturba as partículas próximas e essas, por sua vez, perturbam as partículas adjacentes seguintes, até chegar aos nossos ouvidos, que detectam essa perturbação.

Poderíamos medir a velocidade com que a onda sonora se propaga, observando o deslocamento desse “efeito dominó” entre as partículas, ou seja, observando em um dado momento, onde estão os dominós que se chocam e derrubam um ao outro. Para futuras referências, chamemos esse “lugar” de frente de onda. Em outras palavras, a velocidade do som pode ser medida observando-se a frente de onda se deslocando.

 

Deslocando-se à velocidade do som

Agora imagine que o objeto (ok, um avião) que produz som esteja se deslocando (Figura 1). À medida que ele vai se deslocando mais rápido, as frentes de onda vão ficando cada vez mais próximas (na direção do deslocamento) até que, quando o objeto se desloca na velocidade que o som é capaz de se propagar naquele meio, uma nova frente de onda é produzida antes mesmo de a outra abandonar a fonte sonora, criando uma mega-frente de ondas coincidentes (no nariz da aeronave, nesse caso), ou uma onda de choque.

Note também, que mesmo que tivéssemos um avião hipersilencioso, o acúmulo de pressão causado no ar devido ao puro deslocamento supersônico, ainda causaria onda de choque.

Figura 1. Frentes de ondas sonoras com objeto se deslocando com velocidade menor que a do som (primeiro a esquerda), velocidade igual a do som (do meio) e velocidade maior que a do som (último a direita). Supondo que o objeto fosse uma aeronave, a ponta da seta seria o nariz.

Voltando a pensar na propagação do som no ar como pequenos choques entre as partículas de ar, quando a ponta da aeronave se desloca na velocidade do som, os choques das várias frentes de onda coincidentes vão ser tão intensos e frequentes que surgirá uma brutal resistência do ar impedindo que o objeto acelere mais.

Como se fosse uma barreira (do som). Por muito tempo, acreditou-se que essa “barreira do som” fosse intransponível, até que em 14 de outubro de 1947, o capitão Charles (Chuck) Yeager superou a velocidade do som, voando a aeronave de pesquisa Bell XS-1.

Para se romper essa “barreira” foram melhorados vários aspectos das aeronaves anteriores, mas podemos, dizer, grosseiramente falando, que os fatores mais decisivos foram motor potente e estrutura forte o suficiente para suportar as descontinuidades do voo supersônico.

Figura 2. Bell XS-1. Primeira aeronave a voar além da velocidade do som. Foto – NASA

Quando tratamos de velocidades supersônicas (além da velocidade do som), é comum utilizarmos uma medida adimensional chamada número de Mach (devido a Ernst Mach), que é definido como a razão entre a velocidade local do “vento” sobre a velocidade de propagação do som naquelas mesmas condições de temperatura e pressão (sim, principalmente a temperatura é capaz de mudar a velocidade do som consideravelmente).

Perceba que, em geral, falamos da velocidade da aeronave ao invés da velocidade do “vento”. Isso não é conceitualmente preciso, mas para nossos propósitos, vamos imaginar que essas duas velocidades são iguais, de maneira que o u da equação da Figura 3, é a velocidade da aeronave.

Figura 3. Número de Mach: u é a velocidade do escoamento e c é a velocidade de propagação do som.

Por exemplo, imagine uma aeronave F/A-18 Hornet se deslocando em baixa altitude (nível do mar) a 1500 km/h. Nessas condições (onde a velocidade do som é de cerca de 1235 km/h) ele estará se deslocando a Mach de aproximadamente 1.2 (verifique), e, portanto, supersônico, já que o número de Mach é maior que 1.

Voos abaixo de Mach 1 são chamados de subsônicos (por exemplo, voos de aeronaves comerciais, já que o Concorde foi aposentado). Nos valores de Mach próximos a 1, se fala em voo transônico. Para valores de Mach iguais ou superiores a 5, se fala em voo hipersônico.

É importante lembrar que a velocidade do som varia com a temperatura do ar, e, portanto, com a altitude. Por exemplo, no nível do mar, a velocidade do som é de aproximadamente 1225 km/h, mas a uma altitude de 10000 metros (mais ou menos a altitude de cruzeiro de um voo comercial), onde a temperatura é mais baixa, é de 1078 km/h (verifique nessa calculadora).

Colocando de maneira mais intuitiva, por exemplo, ao nível do mar, o ar é mais denso, menos compressível e, portanto, mais resistente ao voo supersônico nessa altitude, e, assim, mais “demandante” (mais energia gasta).

 

Cadê as ondas de choque?

Uma onda de choque, fisicamente, é uma finíssima região (com espessura da ordem de 1 mm dividido por 10000) pela qual, quando o escoamento (“vento”) passa, tem suas propriedades modificadas drasticamente: temperatura e pressão aumentam, velocidade (do escoamento) diminui, etc. É de se esperar que seja bastante desafiador conviver com esse fenômeno.

A seguir citamos alguns exemplos de onda de choque. Vamos começar pelos mais dramáticos até chegar nos mais próximos do dia-a-dia.

  • A re-entrada na nossa atmosfera de um Space Shuttle (o veículo que traz os astronautas de volta para Terra) pode atingir até Mach 25 (isso, 25 vezes a velocidade do som) e mesmo no ar rarefeito das altas camadas da atmosfera, essa velocidade é de aproximadamente 28163 km/h. Como descrito no site do Nasa Glenn Research Center a energia da onda de choque é tão brutal que “as ligações químicas das moléculas diatômicas do ar chegam a se desfazerem, formando um plasma carregado eletricamente em torno da aeronave”. Para suportar essa condição, a aeronave precisa ter um poderoso sistema de proteção térmica.

 

  • Como se pode ver no vídeo citado no início do texto, quando uma aeronave voa supersônico, a onda de choque dá o ar de sua graça através de um estrondo duplo associado às súbitas variações de pressão do escoamento: um na onda de choque, propriamente dita, no nariz da aeronave, e outra conhecida como onda de expansão que, grosseiramente falando, acontece quando o escoamento passa pela cauda da aeronave e volta a sua condição “normal”, que estava inicialmente. É possível ver a onda de expansão como uma espécie de cone branco cobrindo e voando junto com a aeronave. A queda de pressão pode provocar condensação do vapor de água do ar, formando o cone.

 

  • Você já viu um avião supersônico com motores com hélice? Provavelmente, não. Em teoria, é possível, mas o motor turboélice teria que ser resistente e forte o suficiente para vencer a resistência da “barreira” do som. Na prática, isso não parece ter uma relação custo-benefício nada interessante. E o motivo é relativamente simples de explicar. Quando o escoamento passa por uma hélice girando, ele passa a ter componentes de velocidade em duas direções: a direção original do escoamento, e a direção tangente ao raio da hélice. Em resumo, a velocidade do escoamento aumenta em módulo, de maneira que mesmo bem antes da aeronave (com motor turboélice) estar voando à velocidade do som, já se formarão ondas de choque nas bordas da hélice, e junto com elas, um aumento dramático no arrasto (força contra o movimento da aeronave).

 

  • Os aviões comerciais em seu voo de cruzeiro, atingem (e mantêm) velocidades na região de Mach chamada de transônica. Mas quando dizemos que o escoamento em torno da aeronave é de Mach 0.83 (um número factível), por exemplo, isso não impede que em algumas regiões possa haver escoamento supersônico (acima de Mach 1). Uma dessas regiões é o extradorso da asa (a parte de cima dela). É uma longa (e interessante) história, mas agora vamos somente aceitar que há uma diferença de pressão entre a parte de cima e de baixo da asa e, consequentemente, há a possibilidade de o Mach ser maior que 1, localmente, mesmo que a aeronave esteja se deslocando com uma velocidade inferior a do som naquela condição. Teremos, então, a formação de ondas de choque bem brandas e a descontinuidade pode inclusive ser vista (com muito boa vontade).

Não temos mais voos comerciais supersônicos desde o Concorde, que fazia Nova Iorque a Paris em 3,5 horas, chegando a Mach 2,0. Os custos de operação passaram a não compensar a manutenção dos voos da aeronave no cenário de transporte de passageiros da época (2003).

Mas se depender da Boom Supersonic, os voos comerciais supersônicos voltarão em 2023, prometendo Mach 2,2 e Nova Iorque a Londres em 3h e 15min, por US$ 2500 cada perna. De todo jeito, a “barreira do som” é um mito já muito bem superado pela aviação e pelo super-homem.

 

Artigo totalmente produzido por André Ferreira da Silva, e encaminhado para a equipe do Portal Aeroflap para postagem. Muito Obrigado!