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Quebra da barreira do som: O problema do estrondo sônico

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Katerina Kaouri dá detalhes de como os cientistas usam a matemática para prever as trajetórias dos estrondos na atmosfera, os locais que eles agirão e como eles serão.

Objetos que voam com velocidade maior do que a do som (como aviões muito velozes) criam uma onda de choque acompanhada por um som parecido com o de um trovão: o estrondo sônico. Estes sons formidáveis podem estressar pessoas e animais e até causar estragos em edificações próximas.

Os humanos sempre foram fascinados pela velocidade. A história do progresso humano é a da velocidade sempre crescente, e uma das mais importantes conquistas desta corrida histórica foi a quebra da barreira do som.



Pouco tempo depois dos primeiros voos bem-sucedidos, os pilotos desejavam acelerar suas aeronaves cada vez mais.

Mas quando o faziam, o aumento da turbulência e enormes forças sobre o avião impediam que eles acelerassem demais.

Alguns tentaram contornar o problema por meio de mergulhos arriscados, quase sempre com resultados trágicos.

Finalmente, em 1947, aperfeiçoamentos de projetos tais como um estabilizador horizontal móvel, uma cauda com mobilidade total, permitiram que um piloto militar americano, chamado Chuck Yeager, conduzisse o Bell X-1 a 1.127 km/h, tornando-se o primeiro a quebrar a barreira do som e voar com velocidade maior do que a do som.

O Bell X-1 foi a primeira de muitas aeronaves supersônicas que se seguiram, sendo que os projetos mais recentes atingiram velocidade maior que Mach 3.

Uma aeronave que se desloca com velocidade supersônica cria uma onda de choque com um barulho semelhante ao de um trovão, chamado de estrondo, que pode causar estresse em pessoas e animais no solo e até estragos em edificações.

Por esta razão, cientistas de todo o mundo pesquisam o estrondo sônico, tentando prever seu percurso na atmosfera, qual local ele vai atingir, e a intensidade que terá.

Para entender melhor como os cientistas estudam o estrondo sônico, comecemos com os fundamentos do som.

Imagine jogar um pedrinha nas águas calmas de um lago.

O que se vê? A pedra faz as ondas se deslocarem na água com a mesma velocidade, em todas as direções.

Esses círculos que aumentam de raio são chamados de frentes de onda.

Analogamente, embora não possamos vê-las, uma fonte de som estacionária, como um aparelho de som estéreo, cria ondas de som que se propagam no ambiente.

A velocidade das ondas depende de fatores como a altitude e a temperatura do ar pelo qual se propagam.

Ao nível do mar, o som viaja a cerca de 1.225 km/h.

Mas no lugar de círculos em uma superfície bidimensional, as frentes de onda sonoras são esferas concêntricas, e o som se propaga ao longo de raios perpendiculares a essas ondas.

Imagine uma fonte de som que se desloca, como o apito de um trem.

Enquanto a fonte se desloca em uma certa direção, as ondas sucessivas lá na frente vão se aglomerando cada vez mais.

Esta maior frequência de onda é a causa do famoso efeito Doppler, pelo qual objetos que se aproximam têm som mais agudo.

Enquanto a fonte se deslocar mais lentamente do que as ondas de som, estas ficarão aninhadas dentro das outras.

Quando a velocidade for supersônica, se deslocar mais rápido do que o som que ele gera, a situação muda dramaticamente.

Quando ultrapassar as ondas de som que ele mesmo emitiu, enquanto cria novas, a partir da posição momentânea, as ondas são comprimidas e formam o cone de Mach.

Nenhum som é ouvido quando ele se aproxima de um observador porque o objeto se desloca mais rápido do que o som que ele produz.

Só depois que o objeto tiver passado, o observador ouvirá o estrondo sônico.

Quando o cone de Mach atinge o solo, ele forma uma hipérbole, deixando um rastro, o tapete de estrondo, enquanto ele avança.

Isto possibilita determinar a área afetada pelo estrondo sônico.

Como calcular a intensidade do estrondo? Isto requer resolver as famosas equações de Navier-Stokes para determinar a variação da pressão de ar provocada pelo deslocamento supersônico da aeronave dentro dele.

Isto resulta numa assinatura de pressão conhecida com onda-N.

O que significa esta forma? A onda supersônica acontece quando há uma mudança súbita de pressão, e a onda-N envolve dois estrondos: um para o aumento inicial da pressão no nariz da aeronave, e outro quando a cauda passa, e a pressão subitamente volta ao normal.

Isto causa um estrondo duplo, Mas normalmente é percebido como um único estrondo pelo ouvido humano.

Na prática, modelos computacionais que usam estes princípios podem, com frequência, prever a localização e a intensidade de estrondos sônicos para determinadas condições atmosféricas e trajetórias de voo, e há pesquisa em curso para mitigar seus efeitos.

Enquanto isso, o voo supersônico sobre os continentes continua proibido.

Então, os estrondos sônicos são uma invenção recente? Não exatamente.

Enquanto tentamos torná-los mais silenciosos, alguns animais tiram vantagem do estrondo sônico.

O gigantesco diplodoco pode ter sido capaz de golpear com sua cauda mais rápido do que o som, perto de 1.200 km/h, possivelmente para deter predadores.

Alguns tipos de camarão também criam uma onda de choque semelhante na água, desorientando ou até matando presas à distância, apenas fechando rapidamente suas enormes pinças.

Enquanto os humanos fizeram grande progresso na incansável busca pela velocidade, descobre-se que a natureza chegou lá primeiro.

Fonte: TED-Ed
[Visto no Brasil Acadêmico]

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