Por que existe a barreira do som?

O ar não é uma parede sólida diante de um avião; ele se afasta porque a perturbação de pressão do nariz que se aproxima o alcança primeiro e o põe em movimento. Essa perturbação se desloca exatamente à velocidade do som, pois uma onda sonora e um sinal de pressão são a mesma coisa. Enquanto o avião for mais lento que o som, o sinal viaja na frente, o ar começa a se afastar antes que o avião chegue, e o fluxo se acomoda suavemente em torno das asas e da fuselagem. Quando o avião acelera, o sinal tem menos vantagem. Na velocidade do som, ele não tem vantagem alguma: o avião chega no mesmo instante que sua própria onda de pressão, e o ar não recebe nenhum aviso prévio.

O ar que não pode se afastar com antecedência é comprimido quase instantaneamente numa camada muito fina, uma onda de choque, através da qual a pressão, a densidade e a temperatura sobem abruptamente. Gerar esse salto consome energia proveniente do avião e se manifesta como um aumento súbito do arrasto, muitas vezes várias vezes o valor subsônico, na faixa transônica entre Mach 0,8 e 1,2. As ondas de choque se formam primeiro sobre a parte superior curva da asa, onde o ar é acelerado localmente à velocidade supersônica enquanto o próprio avião ainda voa no regime subsônico. Atrás da onda de choque, o fluxo frequentemente se separa da superfície, causando forte vibração (buffeting) e perda de sustentação. A barreira, portanto, não existe numa velocidade exata; é uma faixa de velocidades na qual o comportamento do ar muda fundamentalmente.

O nome vem da Segunda Guerra Mundial, quando caças rápidos a hélice atingiam cerca de Mach 0,8 em mergulho e encontravam efeitos para os quais ninguém havia projetado. Ondas de choque sobre a asa deslocavam o centro de sustentação para trás e empurravam o nariz ainda mais para baixo durante o mergulho, uma tendência chamada de Mach tuck. Os elevadores, situados no ar perturbado atrás de uma onda de choque, perdiam eficácia, de modo que puxar o manche não surtia efeito, e vários aviões se despedaçaram ou caíram. As hélices agravavam a situação, pois as pontas de suas pás atingiam a velocidade supersônica antes do próprio avião, perdendo empuxo no processo. Os engenheiros conheciam a física de balas de fuzil e projéteis de artilharia, que atravessam essa faixa rotineiramente, mas somente motores a jato e a foguete, asas finas e um estabilizador horizontal totalmente móvel deram a uma aeronave tripulada o empuxo e a controlabilidade para fazer o mesmo. Uma vez que esses meios existiram, a barreira permaneceu real como aumento de arrasto e estampido sônico, mas deixou de ser um limite.