Número de Mach

Um F/A-18 Hornet após quebrar a barreira do som.

A velocidade Mach ou Mach (Ma) é uma unidade de medida de velocidade. É definida como a relação entre a velocidade do objeto e a velocidade do som:

$\ M = \frac {{v_o}}{{v_s}}$

onde:

$\ M$ é o número Mach

$\ v_o$ é a velocidade média relativa do objeto

$\ v_s$ é a velocidade média do som.

Em outras palavras, a velocidade Mach é quantas vezes o corpo atingiu a velocidade média do som, isto é, a velocidade que o objeto atingiu dividido pela velocidade média do som (como expresso na fórmula acima). Assim, se um corpo atingiu 2 vezes a velocidade do som que é de 343,4 m/s (ou 768,16 mph = 1.236,24 km/h) então este corpo atingiu a velocidade Mach 2 a qual é 2x343,4m/s = 686,8 m/s = 2.472,48Km/h (ou 1.536,32 milhas/h). É necessário salientar que se está a considerar nesses cálculos a velocidade do som a uma temperatura de 20º Celsius. Veja no artigo Velocidade do som as diferentes velocidades que o som atinge de acordo com a temperatura do ar.

A nomeação desta velocidade se deu em homenagem ao físico e filosófo austríaco Ernst Mach que publicou em 1877 a sua teoria de um corpo capaz de ultrapassar a velocidade do som. Um Mach (Ma), possui a velocidade de 1234,8 km/h, sendo considerada a velocidade mínima para que qualquer corpo consiga ultrapassar a barreira do som. Para que os físicos pudessem fazer cálculos mais precisos foram criados 5 categorias de velocidade para determinar em que velocidade está o corpo:

• Subsônica: Ma < 1
• Transônica: 0.8 < Ma <1.2
• Sônica: Ma = 1
• Supersônica: Entre 1.2 Ma e 5 Ma
• Hipersônica: Ma > 5

A velocidade transônica está entre a velocidade sub e supersônica. O período transónico inicia quando as primeiras partes do avião alcançam Ma>1 e começa a aparecer uma barreira de ar em volta das asas do avião. Quando finalmente o avião ultrapassa a velocidade sônica, segue-se um forte estrondo sonoro quando o avião excede Mach 1; a maior diferença de pressão passa para a frente da aeronave. Esta abrupta diferença de pressão é a chamada onda de choque, que estende-se da traseira à dianteira com uma forma de cone (chamado cone de Mach). Esta onda de choque causa o “boom sônico” que se ouve logo após a passagem do avião. O piloto da aeronave não consegue ouvir este ruído. Quanto maior a velocidade, mais limitado é o cone. Após ultrapassar Mach 1 dificilmente irá se formar um cone completo, mas um plano levemente côncavo.

Com o aumento da velocidade Mach há uma redução da força da “onda de choque” e o cone de Mach começa a ficar mais estreito. Com a vazão dos fluidos atravessando a “onda de choque”, a velocidade é reduzida e a temperatura, pressão e densidade são aumentadas.

A velocidade hipersônica acontece quando devido a alta velocidade a temperatura aumenta de tal modo que acabam tendo a ionização e dissociação de moléculas de gás antes da “onda de choque” começar.

Está claro que qualquer objeto que viaje a velocidades hipersônicas (Mach 13 ou cerca de 16.000 km/h) acaba da mesma forma sendo exposto a temperaturas extremas como ocorre no nariz da aeronave, portanto a necessidade de ter materiais resistentes ao calor se tornam importantes.

Certos aviões quando passam a velocidade de Mach 1 têm as suas asas “recolhidas”, pois a relação da área da asa e a velocidade é inversa: diminuindo a área da asa haverá um aumento de velocidade. É óbvio que quando se acelera para a velocidade supersônica, é necessário que tenha uma extremidade convergente-divergente, onde a convergência é usada para acelerações até Mach 1 e a parte divergente continua a aceleração.

Estas extremidades são chamadas de “extremidades de Laval” e nos ônibus espaciais elas acabam chegando a velocidades hipersônicas. Dentro das aeronaves existem o “Machmetro”, que é um sistema de informação de voo (SIV) que mede a velocidade Mach derivada da pressão interna dividida pela pressão externa da aeronave.

A velocidade da luz equivale aproximadamente à velocidade Mach 873.012,399, pois um Mach equivale a 343,4 m/s e a velocidade da luz no vácuo é 299.792.458 m/s. Atualmente a maior velocidade atingida dentro da atmosfera terrestre foi Mach 10, atingida em experiências feitas pela NASA com seu avião à jato experimental scramjet X-43A (supersonic-combustion ramjet |ramjet de combustão supersônica) . Um ônibus espacial consegue atingir a velocidade média 28.000 ou Mach 23 a 0ºC. Assim, podemos notar que a fantástica velocidade Mach 873 mil atingida pela luz e ficcionada como atingível por naves em filmes como Jornada nas Estrelas está muito longe de ser alcançada na realidade pelo ser humano.

Ver também

• Barreira do som
• Velocidade supersónica