Os problemas do estrondo sónico — Katerina Kaouri

Vejam a lição completa: http://ed.ted.com/lessons/what-causes-sonic-booms-katerina-kaouri

Objetos que voam mais depressa do que a velocidade do som (como os aviões supersónicos) criam uma onda de choque acompanhada por um barulho de trovão: o estrondo sónico. Estes sons épicos podem provocar perturbações em pessoas e animais e até danificar edifícios próximos. Katerina Kaouri pormenoriza como os cientistas usam a matemática para prever o caminho dos estrondos sónicos na atmosfera, onde eles aterram e até que ponto serão fortes.

Lição de Katerina Kaouri, animação de Anton Bogaty.

Os seres humanos sentem-se fascinados
pela velocidade, desde há séculos.

A história do progresso humano
confunde-se com a da velocidade

sempre em crescimento.

Uma das realizações mais importantes
nesta corrida histórica

foi a quebra da barreira do som.

Pouco tempo depois dos primeiros
voos com êxito dos aviões,

os pilotos ansiavam por fazer voar
os seus aviões cada vez mais depressa.

Mas à medida que isso acontecia,
a turbulência aumentava

e forças importantes no avião
impediam-nos de acelerar ainda mais.

Alguns tentaram rodear o problema
através de mergulhos arriscados,

muitas vezes com resultados trágicos.

Por fim, em 1947,
os melhoramentos de conceção,

como um estabilizador horizontal móvel,
uma cauda totalmente móvel,

permitiram que um piloto militar americano
chamado Chuck Yeager

voasse no Bell X-1

a 1127 km/hora,

tornando-se na primeira pessoa
a quebrar a barreira do som

e a viajar mais depressa
do que a velocidade do som.

O Bell X-1 foi o primeiro de muitos
aviões supersónicos que se seguiram

com "designs" posteriores
que atingiam velocidades acima de Mach 3.

Os aviões que voam a uma velocidade
supersónica criam uma onda de choque

com um barulho de trovão
conhecido por estrondo sónico,

que pode causar perturbações
a pessoas e animais lá em baixo

ou até danificar edifícios.

Por essa razão,

os cientistas em todo o mundo
têm estudado os estrondos sónicos

tentando prever o seu percurso
na atmosfera,

onde vão aterrar
e até que ponto são fortes.

Para melhor perceber como os cientistas
estudam os estrondos sónicos,

comecemos com algumas
noções básicas do som.

Imaginem atirar uma pequena
pedra para uma lagoa tranquila.

O que é que veem?

A pedra provoca ondas
que viajam pela água

à mesma velocidade e na mesma direção.

Esses círculos que vão aumentando
de raio, chamam-se frentes de onda.

Do mesmo modo, apesar de não a vermos,

uma fonte sonora parada,
como uma estereofonia caseira,

cria ondas de som que se vão alargando.

A velocidade das ondas depende de fatores

como a altitude e a temperatura
do ar que atravessam.

A nível do mar, o som viaja
a cerca de 1225 km/hora.

Mas, em vez dos círculos
numa superfície bidimensional,

as frentes de onda
são agora esferas concêntricas,

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

Agora imaginem uma fonte móvel de som,
como o apito de um comboio.

À medida que essa fonte continua
a mover-se numa certa direção,

as sucessivas frentes de ondas
à frente dela

aproximam-se e apertam-se cada vez mais.

Este aumento da frequência das ondas
é a causa do famoso efeito Doppler

em que o som dos objetos
que se aproximam parece mais agudo.

Mas, à medida que a fonte se move
mais devagar do que as ondas de som

vão ficando encaixadas umas nas outras.

É quando um objeto
se move supersonicamente,

ou seja, mais depressa
do que o som que produz,

que o quadro muda radicalmente.

À medida que ultrapassa
as ondas de som que emitiu

enquanto vai gerando ondas de som
na sua nova posição,

as ondas são empurradas
umas contra as outras

formando um cone de Mach.

Quando se aproxima de um observador,
não se ouve nenhum som

porque o objeto está a viajar
mais depressa do que o som que produz.

Só depois de o objeto passar
é que o observador ouve o estrondo sónico.

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

deixando um rasto conhecido
por passadeira de estrondo, quando avança.

Isto torna possível determinar a área
afetada por um estrondo sónico.

Como é que se descobre até que ponto
será forte um estrondo sónico?

Isso envolve resolver
as famosas equações Navier-Stokes

para determinar a variação
da pressão no ar

devida ao avião supersónico
que o atravessa.

O resultado é uma curva de pressão
conhecida por Onda-N.

O que significa esta forma?

O estrondo sónico ocorre
quando há uma mudança súbita na pressão

e a Onda-N envolve dois estrondos:

um para a inicial subida de pressão
no nariz do avião

e outra para quando passa a cauda,

e a pressão volta, subitamente, ao normal.

Isso provoca um duplo estrondo

mas, habitualmente, os ouvidos
humanos só ouvem um único estrondo.

Na prática, os modelos de computador
que usam estes princípios,

podem prever a localização
e a intensidade dos estrondos sónicos

para determinadas condições atmosféricas
e trajetórias de voos

e há investigação em curso
para minimizar os seus efeitos.

Entretanto, o voo supersónico
sobre terra é proibido.

Então, os estrondos sónicos
são uma criação recente?

Não propriamente.

Enquanto tentamos descobrir
forma de os silenciar,

há animais que têm usado
os estrondos sónicos em seu proveito.

O gigantesco Diplodocus deve ter
conseguido estalar a sua cauda

mais depressa do que o som,
a mais de 1200 km/hora,

possivelmente para deter predadores.

Certos caranguejos também podem criar
uma onda de choque semelhante

debaixo de água,

atordoando ou matando a presa à distância,

apenas com um estalo
da sua garra descomunal.

Embora os seres humanos
tenham feito grandes progressos

na sua incansável procura da velocidade,

acontece que a Natureza
chegou lá primeiro.