Velocidade supersónica

Avião ultrapassando a velocidade do som. O cone branco é formado por gotículas de água condensada, devido à súbita queda de pressão em regiões ao redor da aeronave. (Ver Singularidade de Prandtl-Glauert)

A velocidade supersónica^PE ou supersônica^PB se refere a qualquer velocidade acima da velocidade do som, aproximadamente 343 m/s (ou 761 mph, ou 1255 km/h ao nível das águas do mar). Qualquer objeto que se mova a velocidades acima da velocidade do som, viaja a uma velocidade chamada Mach, onde Mach1 equivale a um valor de velocidade uma vez maior que o som, Mach2 equivale a um valor de velocidade duas vezes maior que o som e assim sucessivamente. Velocidades superiores a cinco vezes a velocidade do som (Mach5) são definidas como hipersônicas.

Os sons são vibrações viajando sob a forma de ondas de pressão em um meio elástico. Nos gases, o som se propaga longit,lgctj bvgtujt76fuk9408456231450

70*7410/58cd xkifryiudinalmente em velocidades diferentes, principalmente em função da massa molecular e da temperatura do gás, sendo que a pressão do mesmo exerce pouco efeito sobre a velocidade de propagação.

Como a temperaturatototosooootoyoyooosz<v a<hbjb vg4 e composição do ar variam significativamente com a altitude, o número Mach de aeronaves pode mudar, mesmo estando a uma velocidade de deslocamento constante. Dentro da água, a temperatura ambiente velocidade supersônica pode ser considerado como qualquer velocidade superior a 1440m/s ou 4724pés/s.

História

Durante a Segunda Guerra Mundial ocorreu um grande desenvolvimento em todas as áreas científicas. A investigação pesada em aeronaves técnicas levou à criação do primeiro foguete e de aviões a jato. As primeiras evoluções na direção de romper a barreira do som também foram feitas durante a guerra. No entanto, o primeiro voo reconhecido superior à velocidade do som ocorreu em 14 de outubro de 1947, em um projeto de pesquisa norte-americano, usando o Bell X-1, pilotado por Charles "Chuck" Yeager. O primeiro avião de produção a romper a barreira do som foi um F-86 Sabre Canadair, pilotado por Jacqueline Cochran, sendo ela a primeira piloto 'supersônica' mulher.

Hans Guido Mutke, porém, alegou ter quebrado a barreira do som antes de Yeager, em 9 de Abril de 1945 num modelo Messerschmitt Me 262. Porém, esta alegação é controversa e carece de fundamento científico.

Uma equipe liderada por Richard Noble e o piloto Andy Green tornaram Green o primeiro homem a quebrar a barreira do som num carro em 15 de Outubro de 1997, quase exatamente 50 anos depois do voo de Yeager.

Descrição física

Agora a fonte está se movendo na velocidade do som no meio (v_f = c, ou Mach 1). As ondas à frente da fonte estão agora todas "empilhadas" no mesmo ponto. Como resultado, um observador à frente da fonte não vai detectar som algum até que a fonte o alcance.

A fonte de som agora quebrou a barreira da velocidade do som, e está viajando à 1.4 c (Mach 1.4). Já que a fonte está se movendo mais rápido do que as ondas de som que cria, ela vai à frente das ondas mais avançadas. A fonte passa por um observador estático antes que o observador escute o som.

Quando uma fonte sonora está se movendo em direção a um detector estacionário com uma velocidade inferior a velocidade do som, ocorre um efeito conhecido como efeito Doppler, onde as frentes de onda produzidas pela fonte não se sobrepõem às criadas anteriormente. Já, se a fonte viaja a uma velocidade igual a velocidade do som, esta fonte está se movendo tão depressa que acompanha suas próprias frentes de onda como mostra a figura. Para entender o estrondo sônico precisamos lembrar que o som é uma energia transportada por ondas mecânicas, ou seja, uma energia transportada pela oscilação das partículas que formam um meio material. O estrondo sônico é o resultado das ondas de choque formadas no deslocamento de um avião, por exemplo. Quando a velocidade da fonte ultrapassa a velocidade do som, ocorre a onda de choque no chamado cone de Mach, devido a uma superposição das frentes de onda que causa uma elevação e uma queda abrupta da pressão do ar quando a fonte passa por um ponto no espaço. A nuvem formada pela repentina queda na pressão do ar provoca a condensação do vapor e a formação das gotículas de água que compõem a nuvem.

Matematicamente, o ângulo do cone de Mach formado é dado por:

$\operatorname {sen} \,\theta ={\frac {vt}{v_{s}t}}$

A razão ${\frac {v}{v_{s}}}$ é chamada número de Mach. A onda de choque gerada por uma aeronave supersônica ou por um projétil CFproduz um som semelhante ao de uma explosão, conhecido como estrondo sônico, no qual a pressão do ar primeiro aumenta bruscamente e depois diminui para valores menores que o normal antes de voltar ao normal. Parte do som produzido pelo disparo de um rifle, por exemplo, se deve ao estrondo sônico produzido pelo projétil.

Quando se rompe a velocidade do som, esta situação é acompanhada por um estrondo percebido pelos que estão em solo e por um silêncio profundo para quem está dentro do avião. Estando o avião mais rápido que o som, quem está dentro da cabine não recebe as ondas sonoras provenientes do próprio deslocamento.

Quando um objeto se move através do ar, ele empurra as moléculas do ar para fora do caminho, criando ondas de ar comprimido e descomprimido. Essas ondas de pressão do ar se movem para longe do objeto em todas as direções à velocidade do som. Se o objeto viaja à velocidade do som ou mais rápido, ele alcança as ondas de pressão e começa a empurrá-las, empilhando-as à medida que são criadas. Essas ondas acumuladas são chamadas de ondas de choque.

Quando as ondas de choque atingem o chão, elas podem ser sentidas como um ruído sônico. A intensidade do ruído sônico é determinada por vários fatores: a distância entre o objeto e o chão, o tamanho e formato do objeto e as condições atmosféricas, incluindo a pressão do ar, temperatura e ventos.

Objetos supersônicos

Os mais modernos aviões de caça voam acima da velocidade do som, mas também existiram aviões supersônicos de passageiros, os modelos Concorde e Tupolev Tu-144. Estes aviões de passageiros e alguns caças modernos são capazes também de viajar à velocidade de "super cruzeiro", ou seja, várias horas de voo a velocidades acima do som. Desta estatística, temos que o Concorde passou mais tempo voando a velocidade supersônica do que todas as outras aeronaves combinadas. Desde o último voo do Concorde em 26 de novembro de 2003, não há mais aviões supersônicos de passageiros em serviço.

Outros objetos que rompem a barreira do som são as modernas armas de fogo, sendo que projéteis de fuzil frequentemente viajam com a velocidades próximas e, em alguns casos bem superiores a Mach3.

Naves espaciais, principalmente o ônibus espacial, são considerados objetos supersônicos pelo menos durante sua reentrada na atmosfera, embora os efeitos sobre a espaçonave sejam reduzidos pela baixa densidade do ar na estratosfera. Durante a subida, os veículos de lançamento geralmente evitam superar a velocidade do som nos primeiros 30 km da atmosfera, a fim de reduzir a resistência do ar.

Note-se que a velocidade do som diminui ligeiramente com a altitude, devido às baixas temperaturas encontradas. A altitudes ainda mais elevadas, onde a temperatura começa a aumentar,^{[carece de fontes]} também ocorre o aumento na velocidade do som.

Voo supersônico

Para elaborar um voo supersônico, os jatos supersônicos e veículos de foguetes requerem impulso várias vezes maior do que o normal para avançar com o arrasto adicional a fim de vencer turbulências experimentadas nas regiões transônicas (cerca de Mach 0,85-1,2). A estas velocidades, os engenheiros aeroespaciais podem guiar suavemente o ar em torno da fuselagem da aeronave, sem a produção de novas ondas de choque, mas qualquer mudança na área da secção transversal na parte inferior do veículo leva a ondas de choque ao longo do corpo. No entanto, em aplicações práticas, um avião supersônico deverá funcionar de forma estável, tanto em velocidades abaixo da velocidade do som, tendo um desenho aerodinâmico portanto mais complexo.

Um problema com o voo supersônico é a geração de calor. Em altas velocidades, pode ocorre o aquecimento aerodinâmico, e portanto a aeronave deve ser projetado para operar e funcionar em temperaturas muito altas. Duralumínio, o material aeronave tradicional, começa a perder força e ir para a deformação plástica a temperaturas relativamente baixas, e não é indicado para uso contínuo em velocidades acima de Mach 2,2. Os materiais tais como aço inoxidável e titânio permitem operações a temperaturas muito mais elevadas, acima de 315°C (600°F).

Outra área de preocupação para a operação contínua de alta velocidade deve-se ao fato de que estes aumentam a temperatura do ar que consomem na combustão, e como a aeronave acelera, o atrito e compressão aquece este ar antes que ele atinja os motores. A temperatura máxima admissível dos gases de escape é determinada pelas matérias na turbina na parte traseira do motor, assim como a aeronave acelera, a diferença de temperatura de admissão e escape do motor diminui, o que diminui o também diminui o impulso. Ar arrefecimento na área da turbina para permitir operações a temperaturas mais elevadas foi a solução chave para este problema, que continua a ser melhorado até o hoje.

Projeto de admissão também foi um grande problema. Motores a jato normais só podem ingerir ar a velocidades abaixo da velocidade do som, portanto, para a operação supersônico o ar tem que ser abrandado. O fluxo de ar tem de ser desacelerado antes que ele atinja o motor. Fazer isso remove a energia do fluxo de ar, fazendo com que se reduza também o arrasto. A chave para reduzir este arrasto é a utilização de pequenas de choque oblíquas, mas estas são difíceis de operar de forma eficiente em toda a gama de velocidades.

Uma aeronave capaz de operar por longos períodos em velocidades supersônicas tem uma vantagem potencial sobre um projeto semelhante que voa a velocidades abaixo do limite do som. A maior parte do arraste de uma aeronave ocorre enquanto esta acelera a velocidades supersônicas, ainda abaixo da velocidade do som. Uma aeronave que pode acelerar passado essa velocidade vê uma diminuição do arrasto significativo, e pode voar com maior economia de combustível.

A chave para ter baixo arrasto supersônico é modelar corretamente a aeronave a ter um corpo longo e magro, e perto de uma forma "perfeita". Isto acarretou em que os aviões de cruzeiro supersônico são muito semelhantes uns dos outros, com uma fuselagem muito longa e grandes asas delta. Apesar de não ser ideal para aviões de passageiros, esta formação é bastante adaptável para uso de bombardeiros.

Projeções

No final do mês de março de 2013, a NASA apresentou ao mundo seu projeto de um avião hipersônico (Mach5). Durante alguns minutos, o protótipo batizado de X-43A voou sobre o oceano Pacífico a quase 8 mil km/h (Mach7), uma velocidade dez vezes maior que os atuais aviões comerciais. Com esta velocidade, uma viagem pelo eixo Rio - São Paulo pode ser feita em cerca de quatro minutos. O X-43A é um aparelho pequeno: tem apenas 3,6 metros de comprimento e 1,5 metros de envergadura e utiliza uma tecnologia de propulsão que levou 20 anos para ser desenvolvida. O motor com essa tecnologia aproveita a própria velocidade hipersônica para que o oxigênio da atmosfera seja utilizado na queima do combustível. O próprio movimento provoca um fluxo do gás para dentro da câmara de combustão e faz o motor funcionar.

Na experiência da NASA, o X-43A foi levado nas asas de um bombardeiro B-52, acoplado a um foguete convencional, até os 10 mil metros de altitude. Nesta altitude, o foguete foi acionado e levou o protótipo até os 30 mil metros, quando finalmente o X-43A fez o seu voo solo, mostrando a eficiência do motor scramjet. A NASA pretende usar a tecnologia em aviões para viagens longas e em naves espaciais mais seguras.

Depois do aposentado do Concorde, que foi o único avião comercial supersônico da história, o X-43A é o primeiro avião que ultrapassa o limite hipersônico, mas ainda está longe de ser comercial. O recorde anterior de velocidade era do avião-espião Blackbird, que atinge 3500 km/h.

Porém, mesmo com toda a tecnologia desenvolvida, os aviões supersônicos tem sua mobilidade afetada, uma vez que precisam de grandes distâncias de voo para alcançar a altitude correta para desenvolverem velocidade hipersônicas.

Ver também

• Número de Mach
• Velocidade hipersônica
• Velocidade subsônica

Bibliografia

1. Landau, Lev Davidovitch. Fluidmjechanics. 2ª edição. rev.. Amsterdam: Elsevier, 1987.
2. Moysés, Adir .. Luiz. Coleção Física 2 Gravitação. Ondas e Termodinâmica.
3. Wolfgang Bauer; Gary D. Westfall; Helio Dias. Física para Universitários.