Como funciona a barreira do som?

Em velocidades comuns, uma aeronave se anuncia com antecedência. Perturbações de pressão a precedem à velocidade do som, e o ar começa a se dividir antes que o nariz e as asas cheguem, fluindo suavemente ao redor deles. Quanto mais a aeronave se aproxima da velocidade do som, menos tempo resta para esse aviso prévio agir. O ar alcança as superfícies antes de conseguir se ajustar e, em vez de se desviar suavemente, é comprimido abruptamente numa região muito estreita, chamada onda de choque. Ao atravessar uma onda de choque, pressão, temperatura e densidade saltam quase instantaneamente, enquanto o fluxo é desacelerado. Os primeiros choques não ocorrem em Mach 1, mas antes, tipicamente por volta de Mach 0,8, porque o ar acelerado sobre a superfície curva superior da asa já atinge velocidade supersônica local ali, mesmo que a aeronave como um todo ainda não o faça.

Ondas de choque custam energia, e a aeronave paga por isso em arrasto. Entre cerca de Mach 0,8 e Mach 1,2, a faixa transônica, o arrasto pode multiplicar-se várias vezes enquanto os choques se formam, se intensificam e se deslocam pelas asas e fuselagem. Atrás de um choque, a camada limite muitas vezes se separa da superfície, causando trepidação e perda de sustentação. O centro de sustentação se desloca para trás, empurrando o nariz para baixo, uma tendência chamada de "mach tuck", e superfícies de controle situadas atrás de um choque podem perder eficácia, porque o ar que as alcança já está perturbado. Aeronaves de hélice da Segunda Guerra Mundial encontraram esses efeitos em mergulhos de alta velocidade, e várias se perderam nesse processo, de onde vem a ideia de uma barreira fixa.

A barreira revelou-se uma questão de empuxo e forma, não um limite absoluto. Motores a jato e a foguete forneciam empuxo que continuava a aumentar em alta velocidade, diferente das hélices, cujas pontas das pás atingiam velocidade supersônica primeiro. Asas finas e narizes pontudos retardam e atenuam os choques; uma asa em flecha reduz a velocidade que o ar experimenta ao longo da corda da asa, deslocando o aumento de arrasto para um número de Mach mais alto. Um estabilizador horizontal móvel, em vez de um leme de profundidade articulado, mantém o controle de arfagem em toda a faixa transônica. A regra da área, descoberta nos anos 1950, mostrou que uma variação mais suave da seção transversal total de uma aeronave ao longo de seu comprimento reduz fortemente o arrasto transônico, por isso algumas aeronaves supersônicas têm fuselagens estreitadas na parte central. Uma vez superado Mach 1, os choques se estabilizam num padrão constante e o voo se torna mais suave de novo, embora o arrasto permaneça maior do que no cruzeiro subsônico.