Por que a barreira do som estoura?

A ideia comum é que um avião rompe uma parede de som com um único estrondo. Na realidade, trata-se de um fenômeno contínuo. Todo avião supersônico arrasta consigo um cone de ondas de choque, e o estrondo é o som produzido quando esse cone passa sobre o solo. Um ouvinte escuta um estrondo quando o cone passa, mas um ouvinte 10 km mais à frente na trajetória de voo só o escuta alguns segundos depois, e assim por diante durante todo o voo supersônico. A tripulação não escuta nada, porque o cone fica atrás dela; um caça a Mach 1,5 deixa um "tapete de estrondo" de cerca de 30 a 50 km de largura sob sua trajetória.

Em velocidade subsônica, as perturbações de pressão se propagam adiante do avião e se espalham de forma uniforme. Acima de Mach 1, elas não conseguem mais escapar de sua fonte e, por isso, se acumulam em ondas de choque, superfícies finas nas quais a pressão salta quase instantaneamente. Longe do avião, as muitas ondas de choque individuais do nariz, da cabine, das asas e da cauda se fundem em duas: um choque frontal, no qual a pressão sobe fortemente, e um choque traseiro, no qual ela volta a subir depois de uma queda. Plotado ao longo do tempo, isso produz uma forma em N, e o ouvido reage às duas bordas abruptas com um estrondo duplo, que em um caça fica cerca de um décimo de segundo separado, e mais em um avião comercial. O estrondo do Concorde foi medido no solo com um excesso de pressão de cerca de 100 Pa, suficiente para fazer as janelas tremerem.

O momento de acelerar através de Mach 1 pode produzir um estrondo concentrado. Enquanto o avião acelera, ondas de choque geradas em velocidades ligeiramente diferentes chegam ao solo simultaneamente em uma zona estreita, e o excesso de pressão ali pode ser várias vezes maior que o valor estacionário. Disso surgiu a ideia de que a própria barreira do som estourava. O clima adiciona outra complicação: gradientes de temperatura e vento curvam a onda de choque, de modo que um estrondo pode ser ouvido bem longe da trajetória de voo ou, em números de Mach supersônicos baixos, não alcançar o solo, porque a onda de choque se curva para cima antes de chegar.

Como o estrondo acompanha o avião por todo o caminho, a maioria dos países proibiu voos supersônicos civis sobre terra nos anos 1970, o que restringiu o Concorde a rotas sobre o oceano. O experimento X-59 da NASA inverte a questão: ao alongar a fuselagem e posicionar motor e asa de modo que as ondas de choque individuais nunca se fundam em uma onda N aguda, pretende-se produzir um estrondo surdo de cerca de 75 decibéis percebidos, comparável a uma porta de carro batendo à distância.