Por que existe a barreira do som?

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 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.

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.

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.