Breaking News
Home / Física / Barreira do Som

Barreira do Som

PUBLICIDADE

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.

Barreira 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 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;

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. Periodicamente o noticiário internacional denuncia esse tipo de ação da Força Aérea Israelense (IAF) sobre o território palestino da Faixa de Gaza.

Um caça com uma nuvem de vapor formado sobre as asas está supersônico?

O fenômeno citado chama-se “Singularidade de Prandtl-Glauert” e se popularizou com a distribuição de imagens pela Internet.

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;

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. Periodicamente o noticiário internacional denuncia esse tipo de ação da Força Aérea Israelense (IAF) sobre o território palestino da Faixa de Gaza.

Um caça com uma nuvem de vapor formado sobre as asas está supersônico?

O fenômeno citado chama-se “Singularidade de Prandtl-Glauert” e se popularizou com a distribuição de imagens pela Internet.

Fonte: www.vocesabia.net

Barreira do Som

O som se propaga no ar em ondas concêntricas, como faz uma pedra ao cair em um lago. A barreira do som é o limite de velocidade em que um avião pode se deslocar no ar sem atropelar as ondas sonoras emitidas por ele mesmo. A velocidade do som no ar é de 340 metros por segundo (1 200 km/h), aproximadamente.

À medida que o avião acelera, essas ondas vão se juntando e ficando como que empilhadas à sua frente, como uma série de barbantes entrelaçados. Quando o avião finalmente consegue superar a velocidade das ondas, rompe esse cordão imaginário. “No momento em que a velocidade do som é ultrapassada, ouve-se um estrondo.

Barreira do Som

É a isso que chamamos romper a barreira do som”, diz o físico Carlos Luengo, da Unicamp. Uma vez rompida a barreira, não há mais estrondos, pois, embora as frentes de ondas continuem a se propagar, elas vão ficando para trás e o vôo prossegue totalmente silencioso. O primeiro vôo supersônico foi realizado em 14 de outubro de 1947, pelo americano Chuck Yeager, pilotando um Bell X-1. De acordo com

Luengo, os primeiros aviões a ultrapassar a barreira faziam isso em queda livre.

Ultrapassagem trovejante

Avião supersônico atropela as ondas sonoras emitidas por ele mesmo, provocando um grande estrondo

1. As ondas sonoras se propagam de forma concêntrica

2. À medida que se amplia a velocidade do avião, o ruído também aumenta, pois as ondas vão se achatando

3. Quando a nave finalmente atinge a mesma velocidade que o som, ouve-se um estrondo, sinal de que foi rompida a barreira

Fonte: mundoestranho.abril.com.br

Barreira do Som

Um objeto que se movimenta, na atmosfera, com uma velocidade de módulo v, gera pulsos esféricos de pressão. Esses pulsos se propagam com velocidade de módulo vS, igual ao módulo da velocidade das ondas sonoras. Os pulsos ficam tanto mais próximos uns dos outros, à frente do objeto, e tanto mais afastados uns dos outros, atrás dele, quanto maior o módulo da velocidade do objeto.

Barreira do Som

Quando v ˜ vS, os pulsos à frente do objeto se sobrepõem, formando um pulso único, de amplitude bem maior do que a amplitude de qualquer um dos pulsos originais. Desse modo, à frente do objeto, a pressão atmosférica fica bem maior do que o seu valor normal. Quando v = vS, esse pulso único fica com uma amplitude muito grande e recebe o nome (impróprio) de onda de choque.

Se o objeto que se movimenta na atmosfera é um avião, cada ponto de sua superfície externa se comporta como uma fonte de pulsos de pressão. Além disso, quando o módulo da velocidade do avião se aproxima do módulo da velocidade das ondas sonoras, começam a se formar ondas de choque sobre as asas e perto do nariz. Isto representa um grande obstáculo ao vôo porque aparecem problemas estruturais e de pilotagem, além de uma grande resistência ao avanço do avião, devido à grande pressão da atmosfera à sua frente. Todas estas dificuldades constituem o que costumamos chamar de barreira do som.

Ao nível do mar e em temperatura ambiente de 15 o C, o módulo da velocidade das ondas sonoras na atmosfera é:

vS ˜ 344 m/s ˜ 1238 km/h

Definimos o número de Mach, simbolizado por M, como a razão entre o módulo da velocidade de um objeto na atmosfera e o módulo da velocidade das ondas sonoras:

Barreira do Som

Velocidades para as quais M <1 são chamadas de velocidades subsônicas e velocidades para as quais M > 1 são chamadas de velocidades supersônicas. As dificuldades ao vôo, apontadas acima, ficam bastante reduzidas para velocidades supersônicas com M > 1,2 porque, nessas velocidades, as ondas de choque aparecem destacadas do avião, um pouco à sua frente.

Cone de Mach

Vamos pensar num corpo pequeno, como o nariz de um avião, que se move, no referencial considerado, na horizontal, em linha reta, com velocidade v supersônica, isto é, com v > vS.

Barreira do Som

No instante t, o corpo está no ponto C. Ao passar pelo ponto A, no instante anterior t1, o corpo produziu um pulso esférico que vem se propagando com a velocidade do som. Esse pulso esférico, no instante t, tem raio RA. Ao passar pelo ponto B, no instante também anterior t2, o corpo produziu um pulso esférico que também vem se propagando com a velocidade do som. Esse outro pulso esférico, no instante t, tem um raio RB. Estritamente falando, ao passar por qualquer ponto, o corpo produz pulsos esféricos. No instante t considerado, a superfície envolvente desses pulsos, ou seja, a onda de choque, é uma superfície cônica, chamada de cone de Mach. O eixo do cone de Mach é a trajetória do corpo e o vértice é o ponto C, onde o corpo se encontra no instante t.

O ângulo de abertura do cone de Mach, ?M = 2a, pode ser calculado usando a seguinte relação, tirada do triângulo retângulo BCD:

Barreira do Som

Desse modo, quanto maior for o módulo da velocidade supersônica do objeto, menor será o ângulo de abertura do cone de Mach.

Todas as seções dos pulsos junto à superfície cônica têm a mesma forma e se superpõem, reforçando-se mutuamente. A onda de choque é uma estrutura cônica delgada, em que o ar se encontra a uma pressão muito maior do que a pressão atmosférica normal. Esta estrutura cônica se arrasta por trás do objeto de modo análogo à onda de proa em forma de V, que segue uma lancha ou um barco na água. Quando a onda de choque de um avião supersônico passa por um observador, ele escuta um único e forte estrondo.

No instante de tempo t considerado, as partículas do meio que estão dentro do cone de Mach já foram perturbadas pelo objeto em movimento e as partículas que estão fora, ainda não foram perturbadas. Podemos representar o resultado do movimento do corpo que se desloca, na atmosfera, com uma velocidade supersônica, como um processo contínuo de produção de pulsos sonoros esféricos que se propagam no interior do cone de Mach. A formação desses pulsos sonoros acontece às custas da energia do corpo. Em outras palavras, o corpo fica sob o efeito de uma força de resistência ao seu movimento.

Os pulsos sonoros são amortecidos com o tempo, espalhando-se por uma região do espaço cada vez maior, devido ao atrito interno (viscosidade) da própria atmosfera. Ao fim e ao cabo, a extremidade posterior do cone se dispersa no espaço.

Fonte: www.ufsm.br

Barreira do Som

Veja também

Hidrodinâmica

Hidrodinâmica

PUBLICIDADE Definição A hidrodinâmica é um ramo da física que lida com o movimento de …

Magnetron

PUBLICIDADE Definição de Magnetron Um Magnetron é um tubo de vácuo de dois elementos no …

Força de Lorentz

Força de Lorentz

PUBLICIDADE Definição A Força de Lorentz é a força em uma partícula carregada movendo-se através de uma …

Deixe uma resposta

O seu endereço de email não será publicado. Campos obrigatórios são marcados com *

Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.