O problema do estrondo sônico - Katerina Kaouri

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Objetos que voam com velocidade maior do que a do som (como aviões muito velozes) criam uma onda de choque acompanhada por um som parecido com o de um trovão: o estrondo sônico. Estes sons formidáveis podem estressar pessoas e animais e até causar estragos em edificações próximas. Katerina Kaouri dá detalhes de como os cientistas usam a matemática para prever as trajetórias dos estrondos na atmosfera, os locais que eles agirão e como eles serão.

Aula de Katerina Kaouri, animação de Anton Bogaty.

Os humanos sempre foram
fascinados pela velocidade.

A história do progresso humano
é a da velocidade sempre crescente,

e uma das mais importantes conquistas
desta corrida histórica

foi a quebra da barreira do som.

Pouco tempo depois
dos primeiros voos bem-sucedidos,

os pilotos desejavam acelerar
suas aeronaves cada vez mais.

Mas quando o faziam,
o aumento da turbulência

e enormes forças sobre o avião
impediam que eles acelerassem demais.

Alguns tentaram contornar o problema
por meio de mergulhos arriscados,

quase sempre com resultados trágicos.

Finalmente, em 1947,
aperfeiçoamentos de projetos

tais como um estabilizador
horizontal móvel,

uma cauda com mobilidade total,

permitiram que um piloto
militar americano,

chamado Chuck Yeager,

conduzisse o Bell X-1 a 1.127 km/h,

tornando-se o primeiro
a quebrar a barreira do som

e voar com velocidade
maior do que a do som.

O Bell X-1 foi a primeira de muitas
aeronaves supersônicas que se seguiram,

sendo que os projetos mais recentes
atingiram velocidade maior que Mach 3.

Uma aeronave que se desloca
com velocidade supersônica

cria uma onda de choque

com um barulho semelhante
ao de um trovão, chamado de estrondo,

que pode causar estresse
em pessoas e animais no solo

e até estragos em edificações.

Por esta razão,

cientistas de todo o mundo
pesquisam o estrondo sônico,

tentando prever seu percurso na atmosfera,

qual local ele vai atingir,
e a intensidade que terá.

Para entender melhor

como os cientistas estudam
o estrondo sônico,

comecemos com os fundamentos do som.

Imagine jogar um pedrinha
nas águas calmas de um lago.

O que se vê?

A pedra faz as ondas
se deslocarem na água

com a mesma velocidade,
em todas as direções.

Esses círculos que aumentam de raio
são chamados de frentes de onda.

Analogamente, embora não possamos vê-las,

uma fonte de som estacionária,
como um aparelho de som estéreo,

cria ondas de som
que se propagam no ambiente.

A velocidade das ondas depende de fatores

como a altitude e a temperatura
do ar pelo qual se propagam.

Ao nível do mar, o som viaja
a cerca de 1.225 km/h.

Mas no lugar de círculos
em uma superfície bidimensional,

as frentes de onda sonoras
são esferas concêntricas,

e o som se propaga ao longo de raios
perpendiculares a essas ondas.

Imagine uma fonte de som que se desloca,
como o apito de um trem.

Enquanto a fonte se desloca
em uma certa direção,

as ondas sucessivas lá na frente
vão se aglomerando cada vez mais.

Esta maior frequência de onda
é a causa do famoso efeito Doppler,

pelo qual objetos que se aproximam
têm som mais agudo.

Enquanto a fonte se deslocar
mais lentamente do que as ondas de som,

estas ficarão aninhadas dentro das outras.

Quando a velocidade for supersônica,

se deslocar mais rápido
do que o som que ele gera,

a situação muda dramaticamente.

Quando ultrapassar as ondas de som
que ele mesmo emitiu,

enquanto cria novas, a partir
da posição momentânea,

as ondas são comprimidas
e formam o cone de Mach.

Nenhum som é ouvido
quando ele se aproxima de um observador

porque o objeto se desloca mais rápido
do que o som que ele produz.

Só depois que o objeto tiver passado,
o observador ouvirá o estrondo sônico.

Quando o cone de Mach atinge o solo,
ele forma uma hipérbole,

deixando um rastro, o tapete de estrondo,
enquanto ele avança.

Isto possibilita determinar
a área afetada pelo estrondo sônico.

Como calcular a intensidade
do estrondo?

Isto requer resolver
as famosas equações de Navier-Stokes

para determinar a variação
da pressão de ar

provocada pelo deslocamento
supersônico da aeronave dentro dele.

Isto resulta numa assinatura de pressão
conhecida com onda-N.

O que significa esta forma?

A onda supersônica acontece
quando há uma mudança súbita de pressão,

e a onda-N envolve dois estrondos:

um para o aumento inicial da pressão
no nariz da aeronave,

e outro quando a cauda passa,

e a pressão subitamente volta ao normal.

Isto causa um estrondo duplo,

Mas normalmente é percebido
como um único estrondo pelo ouvido humano.

Na prática, modelos computacionais
que usam estes princípios

podem, com frequência, prever

a localização e a intensidade
de estrondos sônicos

para determinadas condições atmosféricas
e trajetórias de voo,

e há pesquisa em curso
para mitigar seus efeitos.

Enquanto isso, o voo supersônico
sobre os continentes continua proibido.

Então, os estrondos sônicos
são uma invenção recente?

Não exatamente.

Enquanto tentamos
torná-los mais silenciosos,

alguns animais tiram vantagem
do estrondo sônico.

O gigantesco diplodoco pode ter sido capaz
de golpear com sua cauda

mais rápido do que o som,
perto de 1.200 km/h,

possivelmente para deter predadores.

Alguns tipos de camarão também criam
uma onda de choque semelhante na água,

desorientando ou até matando
presas à distância,

apenas fechando rapidamente
suas enormes pinças.

Enquanto os humanos
fizeram grande progresso

na incansável busca pela velocidade,

descobre-se que a natureza
chegou lá primeiro.