[Física] Barreira do som

O som, como sabemos, viaja através de ondas, usando um meio de propagação, no nosso caso o ar. Essas ondas, chamadas ondas de pressão, desenvolvem-se da mesma maneira quando jogamos uma pedra sobre um lago. Uma onda circular se forma no ponto em que a pedra atinge o lago e se afasta, expandindo-se a uma velocidade constante. Se atirarmos várias pedras no mesmo ponto em intervalos regulares, formaremos ondas concêntricas.

É o que ocorre com um emissor de som, como o avião. A velocidade de propagação dessas ondas é o que chamamos de velocidade do som, que ao nível do mar em condições de atmosfera padrão é de 1.226 km/h, e diminui com a queda da temperatura do ar. Ficou convencionado que, quando um avião se desloca com uma velocidade igual à do som, ele está voando a Mach 1. Esta unidade é uma homenagem ao físico austríaco Ernst Mach que, pela primeira vez, mediu a velocidade de propagação do som no ar.

(1) Subsônico; (2) Mach 1; (3) supersônico e (4) onda de choque.

Quando um objeto qualquer, como um avião, se desloca na atmosfera, comprime o ar à sua volta, principalmente à frente. Desta forma cria ondas de pressão, da mesma maneira que a pedra atirada no lago.

Quando um avião voa a uma velocidade inferior à do som, as ondas de pressão viajam mais rápido, espalhando-se para todos os lados, inclusive à frente do avião. Assim, o som vai sempre na frente.

Se o avião acelerar para uma velocidade igual a do som (Mach 1), ou seja, da velocidade de deslocamento de suas ondas de pressão, este estará comprimindo o ar à sua frente e acompanhando as ondas de pressão (o seu próprio som) com a mesma velocidade de sua propagação. Isso resulta num acúmulo de ondas no nariz do avião. Se o avião persistir com essa velocidade exata por algum tempo, à sua frente se formaria uma verdadeira muralha de ar, pois todas as ondas formadas ainda continuariam no mesmo lugar em relação ao avião. Esse fenômeno é conhecido como Barreira Sônica.
Se o avião continuar a acelerar, ultrapassando a velocidade do som, ele estará deixando para trás as ondas de pressão que vai produzindo.

Um avião só pode atingir velocidades supersônicas se, entre outras coisas, sua aceleração permitir uma passagem rápida pela velocidade de Mach 1, evitando a formação da Barreira Sônica.

Estrondo Sônico (Sonic Boom)

Quando o ar em fluxo supersônico é comprimido, sua pressão e densidade aumentam, formando uma onda de choque. Em voo supersônico (com velocidades acima de Mach 1), o avião produz inúmeras ondas de choque, sendo mais intensas as que se originam no nariz do avião, nas partes dianteira (bordo de ataque) e posterior (bordo de fuga) das asas e na parte terminal da fuselagem.

As ondas de choque geradas por um avião em voo supersônico atingirão o solo depois da passagem do avião que as está produzindo, pois esse é mais veloz. Um observador no solo ouvirá um forte estampido assim que as ondas de choque o alcançarem.

Esse estampido é conhecido como 'estrondo sônico', e sua intensidade depende de vários fatores, tais como dimensões do avião, forma do avião, velocidade do voo e altitude. Esse fenômeno pode, em certas circunstâncias, ser forte o suficiente para produzir danos materiais no solo, como quebra de vidros, rachaduras em paredes, muros e outros estragos. Essas possibilidades limitam a operação de voos em velocidades supersônicas sobre os continentes.

O Concorde operava em velocidades supersônicas (Mach 2.02) sobre o mar, acelerando após deixar o continente e alcançar altitudes elevadas, minimizando os efeitos do estrondo sônico.

Quando um avião se aproxima da velocidade do som o ar passa a fluir de uma maneira diferente ao redor de suas superfícies e se torna um fluido compressível. Além de uma série de mudanças na forma como a força de sustentação é gerada, esta mudança também produz um incremento elevado no arrasto, conhecido como onda de arrasto.

Inicialmente a onda de arrasto não era devidamente compreendida. Acreditava-se que ela crescesse exponencialmente, o que efetivamente ocorre dentro de uma pequena faixa de velocidades. Com a força limitada que motores à explosão são capazes de gerar, os aviões não podiam superar este rápido aumento no arrasto: grandes incrementos de potência produziam pequenos incrementos de velocidade. Aparentemente seria necessária uma quantidade infinita de força para alcançar-se velocidades supersônicas e daí surgiu a noção da barreira do som.

Membros da artilharia já haviam superado esta noção. Começando com Ernst Mach no século XIX, eles compreendiam que após determinado ponto, o arrasto não aumentava mais. Na verdade voltava a cair. O desafio passou a ser como produzir o empuxo necessário. Com a criação da asa em V que reduz o arrasto, e do motor a jato capaz de produzir a potência necessária, nos anos 1950 diversas aeronaves eram capazes de voos supersônicos com relativa facilidade.

Bell Chuck Yeager (então um major da Força Aérea dos Estados Unidos, mais tarde um general de brigada) foi a primeira pessoa a quebrar a barreira do som em um voo horizontal em 14 de outubro de 1947, pilotando um l X-1 experimental e alcançando Mach 1 a uma altitude de 15 000 m (45 000 pés).

George W. Welch fez uma alegação plausível mas não verificada de que teria quebrado a barreira do som 14 dias antes de Yeager durante um mergulho em um F-86 Sabre. Ele também alegou ter repetido seu voo supersônico 30 minutos antes do voo de Yeager.

[Física] Primeira lei de Newton

I - Introdução

Os conceitos de força e massa são usados para analisar os princípios da Dinâmica. Esses princípios podem ser sintetizados em um conjunto de três afirmações claramente estabelecidas pela primeira vez por sir Isaac Newton (1643-1727), em sua obra "Princípios Matemáticos da Filosofia Natural" (1687) (Fig. 1) conhecidas como as leis de Newton do movimento.

Fig. 1 - Capa da obra "Principia" escrita por Newton.

As leis de Newton não são o produto de derivações matemáticas, mas, antes, uma síntese de experiências aprendidas sobre como os objetos se movem. Estas leis são genuinamente fundamentais, pois não podem ser deduzidas ou demonstradas a partir de outros princípios.

As leis de Newton necessitam de modificações somente em situações que envolvem velocidades muito elevadas (próximas à velocidade da luz) e/ou dimensões muito pequenas (no interior de um átomo).

II - Primeira lei de Newton

Corpus omne perseverare in statu suo quiescendi vel movendi uniformiter in directum, nisi quatenus a viribus impressis cogitur statum illum mutare.

(Todo corpo continua em seu estado de repouso ou de movimento uniforme em uma linha reta, a menos que seja forçado a mudar aquele estado por forças imprimidas sobre ele.)

Fig 2 - O corpo permaneceu em movimento retilíneo quando os freios da bicicleta foram acionados.

Experiências mostram que quando a força resultante é igual a zero o corpo ou está em repouso ou se move em linha reta com velocidade constante (a aceleração desse corpo é nula).

A tendência de um corpo em permanecer deslocando-se uma vez iniciado o movimento, resulta de uma propriedade denominada inércia.

É relevante notar que na primeira lei de Newton o que importa é conhecer a força resultante, que neste caso é igual a zero, é equivalente a nenhuma força.

Quando não existe nenhuma força atuando sobre um corpo ou quando existem diversas forças como uma soma vetorial (resultante) igual a zero, dizemos que o corpo está em equilíbrio. Para um corpo em equilíbrio,

Para isso ser verdade, cada um dos componentes da força resultante deve ser igual a zero:

Estamos supondo que o corpo possa ser representado adequadamente por uma partícula pontual.Quando o corpo possui um tamanho finito, também devemos considerar onde as forças estão sendo aplicadas sobre o corpo. 

A primeira lei é válida apenas para um sistema de referência inercial:

🔻 A Terra pode ser considerada aproximadamente um sistema de referência inercial;

🔻 Um sistema de referência não-inercial pode ser considerado um veículo se movendo com velocidade variável, no qual a pessoa e o corpo suspenso (Fig. 3) sofre uma aceleração em sentido contrário, sendo que a força resultante sobre esses corpos é nula;

Fig. 3 - Exemplo de sistema de referência não inercial (homem dentro de um vagão) e inercial (observador exterior).

🔻 O sistema de referência "vagão", por exemplo, está sendo acelerado em relação ao sistema de referência "Terra", sendo assim, um sistema de referência inadequado para a primeira lei de Newton;

🔻 Há muitos sistema considerados inerciais. Quando temos um sistema de referência inercial A, então qualquer sistema de referência B também será inercial, se ele se move em relação a A com velocidade v_B/A constante;

🔻 Usando a relação

🔻 Suponha que P seja um corpo que se move com velocidade constante v_P/A em relação a A. Pela primeira lei, a força resultante em relação a P é zero. A velocidade relativa v_P/B (em relação a B) possui valor diferente , mas se v_B/A é constante, então v_P/B também é constante;

🔻 Não há sistema de referência inercial privilegiado.

III - Experimentos

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Referência bibliográfica:
- TIPLER, Física, Vol 1,6ª Edição, LTC,2009.
- SERWAY, JEWEET, Princípios de Física, 1ª Edição, Vol 1, Thonson, 2006.
- SEARS, ZEMANSKY, Física, Vol 1,10ª Edição, Pearson, 2003.