Como funciona a Barreira do Som?


Genericamente dizendo a barreira do som, é o ponto que um objeto se move mais rápido que o som em um determinado meio. No caso da aviação o objeto é uma aeronave e o “meio” é a atmosfera.

O Som

Antes de falarmos da barreira do som, temos que saber primeiramente o que é o som. Na física, por definição: “[…] O som é definido como a propagação de uma frente de compressão mecânica ou onda longitudinal, se propagando tridimensionalmente pelo espaço e apenas em meios materiais, como o ar ou a água.”




A imagem acima mostra as ondas sonoras (ou compressão mecânica, na definição) que saem do latido do cachorro e chegam ao ouvido humano, essas ondas são EQUIDISTANTES, ou seja, tem a MESMA DISTÂNCIA entre elas.

Na atmosfera a 15ºc o som viaja a 340 metros por segundo, ou 20,400 metros por minutos, ou ainda melhor 1224 km/h.

A Temperatura do Meio (Atmosfera)

Como vocês viram acima, eu citei a atmosfera a 15ºc, e a pergunta é: porque a temperatura afeta a velocidade do som?

Como havia dito o som, para se propagar precisa de um meio e a física diz que: quanto mais frio, mais próximos os átomos ficam uns dos outros e quanto mais quente mais longe os átomos ficam uns dos outros.

Ou seja, quanto mais frio, menor será a velocidade do som e quanto mais quente maior será a velocidade do som. Para ilustrar melhor e também a titulo de curiosidade segue a imagem abaixo mostrando a velocidade em vários meios.




Seguindo as constantes citadas acima, convertendo-se em Km/h a velocidade do som a 0ºc e 20ºc seria de respectivamente 1.191,6 km/h e 1.234,8 km/h, e a titulo de curiosidade, na água a velocidade do som seria de 5.328 km/h.

A Barreira do Som

A Barreira do Som é uma barreira criada pelo “problema” da compressibilidade do ar. O ar é um fluído compressível e as ondas sonoras são ondas de pressão que “comprimem” o ar, por esta razão dei a definição física acima.

Portando, a partir de agora, passarei a chamar ondas sonoras de ondas de pressão para melhor compreensão do leitor.




No 1, temos uma aeronave em voo subsônico, ou seja, velocidade menor que 1224 km/h. Suas ondas se propagam por todos os lados, inclusive a frente da aeronave, levando um observador a ouvir a aeronave antes dela efetivamente passar por ele.

De acordo com que a aeronave acelera as ondas de pressão (ou sonoras) vão ficando umas mais próximas das outra gerando um aumento de pressão, até que atinge a velocidade do som 1224km/hr ou Mach 1, gerando uma onda de choque.

No 2, a aeronave se encontra em Mach 1 ou 1224 km/h, ou seja, na mesma velocidade que o som. Neste caso um observador a frente a aeronave não ouviria sua aproximação pois o som ainda não teria chegado lá, pois tanto a aeronave quanto o som estão na mesma velocidade.

No 3, a aeronave se encontra em uma velocidade superior a velocidade do som. Um observador não ouviria a aeronave nem mesmo estando posicionado um pouco atras dela e agora vou explicar o porque ele não ouviria.



Cone de Mach


O cone de Mach é basicamente o ângulo das ondas de pressão (ou sonoras), todo o observador fora do Cone de Mach não consegue ouvir a aeronave, pois as ondas ainda não chegaram nele






Na imagem acima, mostra um observado em relação a uma aeronave muito acima da barreira do som. Ela já passou por ele, mas só depois de certo tempo as ondas de pressão irão atingi-lo fazendo com que ele seja capaz de ouvir a aeronave.

Estrondo Sônico (Sonic Boom)

Muitos, quando pensam em barreira do som já se lembram automaticamente do estrondo sônico (música para muitos ouvidos, inclusive o meu). Primeiramente temos que entender o porque é gerado o estrondo sônico.

Como havia dito logo acima, quando se atinge a Mach 1 (1224 km/h) são geradas ondas de choque pelo acumulo de pressão onde a velocidade chega a Mach 1.

A menos que você tenha um pouco de conhecimento de aerodinâmica e/ou teoria de voo, provavelmente já deve saber que a velocidade do ar varia em diferentes pontos da asa, como a imagem abaixo




Desta forma ondas de choque se formaram onda a velocidade do ar atinge Mach 1.0 e com o aumento de pressão em vários lugares da aeronave (principalmente asa, pois é ela que chega na velocidade do som primeiro, devido a aceleração do ar na parte do extradorso do aerofólio) formam-se vários ondas de choque.

Os estrondos sônicos acontecem quando há um rompimento dessas ondas de choque, liberando a pressão acumulada. Consequentemente esses “estrondos sônicos” acontecem o tempo todo durante o voo, mas somente quando o acumulo de pressão é muito grande que acontece o estrondo como conhecemos, parecido como uma explosão.

Este som parecido com uma explosão se da pelo fato de que uma aeronave não aguenta ficar entre o voo transônico e supersônico durante muito tempo devido ao fato de que as ondas de choque (aumento de pressão do ar) geram arrasto.

O gráfico abaixo mostra a relação entre arrasto e velocidade em mach, lembrando que Mach 1 é a velocidade do som, 1224 km/h.




De acordo com o gráfico acima quando uma aeronave está próxima da velocidade do som, há um aumento expressivo no arrasto da aeronave, atingindo o máximo de arrasto no mach 1, devido as ondas de choque geradas pelo aumento de pressão.

Mas a curiosidade sobre o Estrondo Sônico é que ele não acontece quando a aeronave vai do regime de voo transônico para o supersônico, mas sim o inverso, quando se está em voo supersônico e se decresce a velocidade para voo transônico que acontece o estrondo sônico ou Sonic Boom.

E aquela mancha branca envolta da aeronave?

É “água”!

Devido as mudanças de temperatura de pressão, o ar atinge seu ponto de saturação que é o limite máximo de vapor de água que o ar pode conter. O ponto de saturação é diretamente proporcional à temperatura atmosférica, ou seja, quando diminui a temperatura, ele também sofre redução.

Quando o ar chega no ponto de saturação o vapor de água se condensa, ou seja, o vapor de água muda de estado e se transforma em líquido.

Ou seja, toda aquela área em branco em volta da aeronave é água em estado líquido que foi condensada devido as mudanças de temperatura e pressão numa determinada área.



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