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Por que existe a barreira do som?

Resposta direta

Não existe uma parede física no ar: a barreira do som é o forte aumento de arrasto e perda de controle perto de Mach 1, quando ondas de choque se formam nas asas antes do avião atingir a velocidade supersônica. Asas finas enflechadas, estabilizadores móveis e empuxo bastaram para resolvê-la; o primeiro voo supersônico nivelado foi em 1947, com o Bell X-1.

Por que existe a barreira do som?
Bell X-1 a cores

Um nome para um problema, não para uma coisa

A expressão entrou na linguagem cotidiana nas décadas de 1930 e 1940, quando os aviões voaram pela primeira vez rápido o suficiente para ter problemas ao se aproximar da velocidade do som, e os jornalistas transformaram o termo de engenharia de barreira de compressibilidade em algo que parecia uma parede. Não existe parede. O que existe é uma faixa, aproximadamente de Mach 0,8 a Mach 1,2, na qual o comportamento do ar muda fundamentalmente, e os aviões projetados para velocidades menores se comportavam mal nela. Os caças de mergulho da Segunda Guerra Mundial, como o P-38 Lightning, foram os primeiros a encontrá-la: vibração violenta, controles que endureciam e um nariz que se inclinava para baixo e não podia ser puxado de volta para cima.

O que o ar faz

O ar que flui sobre uma ala curva é acelerado, de modo que o fluxo local atinge Mach 1 enquanto o próprio avião ainda está bem abaixo disso. Onde o fluxo é desacelerado de volta para a velocidade subsônica, isso acontece através de uma onda de choque, uma superfície fina ao longo da qual a pressão sobe abruptamente. Atrás do choque, a camada limite se separa, a sustentação é perdida nessa parte da ala, e o arrasto aumenta várias vezes, no que os engenheiros chamam de aumento de arrasto transônico. Em um estabilizador horizontal convencional, o choque se posicionava exatamente onde estava a dobradiça do leme de profundidade, de modo que uma deflexão do leme deixava de ter efeito. As hélices, cujas pontas das pás giram mais rápido que o avião, encontravam o mesmo problema ainda mais cedo, uma das razões pelas quais nenhum avião com hélice jamais atingiu velocidade supersônica em voo nivelado.

Como foi superada

As soluções vieram da teoria, de túneis de vento e de um voo famoso. Asas finas e enflechadas retardam o início do fluxo supersônico local; a pesquisa alemã da década de 1930 sobre asas enflechadas foi adotada mundialmente após 1945. Um estabilizador horizontal totalmente móvel, instalado no Bell X-1 por sugestão de engenheiros da NACA, restaurou o controle de arfagem. Empuxo suficiente, de foguetes ou pós-combustores, empurrava através do aumento de arrasto em vez de contorná-lo. Em 14 de outubro de 1947, Chuck Yeager levou o X-1 a Mach 1,06 em voo nivelado sobre o deserto de Mojave, mostrando que a barreira era um problema de engenharia e não uma lei da natureza. A regra da área de Richard Whitcomb, publicada em 1952, explicou então por que as fuselagens precisam ser estreitadas na raiz da ala, e dentro de uma década os caças voavam rotineiramente a Mach 2.

O que resta dela

Hoje a barreira sobrevive principalmente como um fator de custo. O arrasto de onda supersônico é real e permanente, de modo que o consumo de combustível por quilômetro é cerca do dobro em comparação com um jato subsônico. O estrondo sônico persiste ao longo de toda a trajetória no solo, e é a regulamentação, não a física, que mantém os aviões civis em velocidade subsônica sobre terra.

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