O que é a barreira do som?

A barreira do som é um mito. O termo surgiu durante a Segunda Grande Guerra, quando os aviõesHavia 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. 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.

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 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. 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; 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. 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.