Por que os aviões rompem a barreira do som?

Um avião em voo perturba o ar ao seu redor, e essas perturbações se propagam como ondas de pressão à velocidade do som: cerca de 340 m/s (1.225 km/h) ao nível do mar a 15 °C e cerca de 295 m/s (1.060 km/h) na estratosfera, onde o ar é mais frio. Enquanto o avião voa mais lento que suas próprias ondas, elas o antecedem, e o ar mais adiante já "sabe" que ele está chegando e se afasta suavemente. Quando o avião se aproxima dessa velocidade, Mach 1, as ondas não conseguem mais escapar para frente: acumulam-se numa frente de compressão abrupta, a onda de choque, e o comportamento do ar ao redor do avião muda radicalmente.

Antes que o avião inteiro atinja Mach 1, o ar acelerado sobre a parte mais curva da asa já se torna localmente supersônico. Ondas de choque se formam na superfície superior, descolando a camada limite, o arrasto se multiplica, e as superfícies de controle perdem eficácia ou até invertem sua ação. Essa zona, aproximadamente entre Mach 0,8 e 1,2, destruiu vários aviões na década de 1940 e deu origem à ideia de uma barreira insuperável. O Bell X-1, pilotado por Chuck Yeager, demonstrou em outubro de 1947 que essa barreira não existia: com uma fuselagem inspirada numa bala de fuzil, um estabilizador horizontal totalmente móvel e um motor de foguete, ele cruzou Mach 1 em voo nivelado.

Voar mais rápido que o som exige três coisas. Primeiro, muita potência: o arrasto de onda é tão grande que muitos caças só o superam com pós-combustão, embora alguns projetos modernos atinjam a cruzeiro supersônico mesmo sem ela. Segundo, formas que retardam e atenuam as ondas de choque: asas enflechadas ou em delta, perfis finos, narizes pontiagudos e a regra da área, segundo a qual a área de seção transversal total do avião deve variar suavemente do nariz à cauda. Terceiro, comandos e uma estrutura que resistam aos deslocamentos do centro de pressão e às cargas do regime supersônico.

As ondas de choque que acompanham o avião se propagam em forma de cone até o solo e são percebidas como um estrondo duplo, um da proa e outro da cauda. Esse ruído é o motivo pelo qual o Concorde só podia voar em velocidade supersônica sobre o mar, e por que hoje se pesquisam formas de fuselagem que reduzam o estrondo a um estalo abafado, como no demonstrador X-59 da NASA.