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Ondas de choque: Um fenômeno supersônico.

Atualizado: Jun 8

imagem de onda de choque
Ondas de choque na aeronave. NASA & US Air Force.

Sempre que se fala em voos supersônicos uma das primeiras coisas que veem em mente são as famosas ondas de choque e o seu boom sônico. Esse é um fenômeno muito estudado na engenharia aeroespacial desde o fim da década de 40.


Som


O som é uma onda mecânica que se propaga no meio de forma circuncêntrica, seja num fluido ou num sólido. Quando uma fonte sonora produz uma vibração, isto é, uma variação de pressão no meio, a mesma se propaga sob forma de uma onda. Então quando uma aeronave voa, ela desloca uma massa de ar, variando a pressão e assim gerando uma onda sonora. A onda de choque nada mais é do que um distúrbio onde as propriedades do escoamento (velocidade, temperatura e pressão e densidade) variam de forma abrupta.

Vale frisar que em baixas velocidades um escoamento é considerado incompressível, onde não há variação de densidade. Quando a velocidade do mesmo se torna próxima de 30% da velocidade do som aí temos um escoamento compressível, onde há variação da densidade.


Número de Mach


O número de Mach (M ou Ma) é uma medida adimensional de velocidade. É uma razão entre a velocidade do objeto que se desloca num meio e a velocidade do som nesse meio. Importante salientar que a velocidade do som não é absoluta, ela varia dependendo da temperatura e densidade. Por isso este número adimensional é muito utilizado pelos engenheiros pois nos da um valor de quantas vezes o corpo atingiu a velocidade do som.


Exemplos de número de Mach:

  • M=0,7. Objeto deslocando a 70% da velocidade do som, velocidade subsônica.

  • M=1. Objeto deslocando na velocidade do som, velocidade sônica.

  • M=2. Objeto deslocando a duas vezes a velocidade do som, velocidade supersônica.


Formação da onda de choque


Agora que sabemos que o som é uma onda causada pela variação de pressão no meio, podemos dizer que a onda de choque é uma região onde há uma sobreposição dessas ondas. Na figura abaixo é possível entender um pouco melhor:



imagem das ondas de som
Ondas sonoras se propagando

Na primeira condição temos a aeronave abaixo da velocidade do som, logo as ondas se propagam mais rápido que o avião. Já na segunda condição com M=1, as ondas se sobrepõem no nariz do avião causando a onda de choque. E na condição 3 já é possível observar o cone sônico onde as ondas se sobrepõem de forma oblíqua. Nesta condição se escuta o boom sônico após a aeronave passar pelo observador, uma vez que a aeronave sempre estará voando mais rápido que o som.



Análise de simulação computacional


Para deixar ainda mais claro o que são de fato as ondas de choque eu fiz duas simulações usando o método de CFD(dinâmica de fluidos computacional), e extrai alguns dados de velocidade, densidade, temperatura e pressão.


Escoamento sob uma cunha


Nessa primeira análise, eu simulei uma cunha sob um escoamento supersônico numa velocidade de Mach igual a 3.


imagem de uma cunha
Cunha


Na figura abaixo, é nitidamente visível a onda de choque. Fiz um print do perfil da temperatura do fluido (considerei que a temperatura do ar estava a 1 Kelvin somente para simplificar), e também gerei um gráfico da temperatura, pressão, Mach e densidade do ar ao longo do sentido do escoamento.

imagem da onda de choque na cunha
Onda de choque sob a cunha

imagem dos dados do escoamento
Dados do escoamento ao longo do eixo x

Agora com o gráfico gerado ficou ainda mais fácil de entender o que é onda de choque. Observando-se que há um aumento abrupto de densidade, pressão e temperatura e diminuição da velocidade.

Esse aumento repentino, principalmente da pressão ocasiona muitos problemas de ruído, uma vez que após essa compressão o fluido tende a se expandir e assim causar grandes prejuízos principalmente se a aeronave voa numa baixa altitude. Devido a isso existem vários estudos na área não só de aerodinâmica como também da aeroacústica a fim de projetar asas que não gerem grandes regiões de alta pressão e assim podendo voar sob áreas residenciais. Mas nem sempre essas poderosas ondas são vistas como algo negativo.

Motores de caças usam esse efeito para comprimir o ar e diminuir a velocidade antes de entrar na câmara de combustão uma vez que velocidade supersônica dentro do rotor pode causar danos catastróficos na estrutura. Na simulação abaixo eu fiz outro exemplo:


Escoamento na entrada de um duto


Nesse exemplo abaixo observa-se como as ondas de choque batem na parede e refletem uma nas outras e assim vão comprimindo o ar e diminuindo a velocidade.

Eu fiz um vídeo sobre a interação entre as ondas de choque e as paredes.



imagem dos dados do escoamento
Dados do escoamento do duto

Na figura acima percebemos a influência das ondas de choque dentro do duto. Verificamos que há um aumento da pressão e diminuição do campo da velocidade. Obviamente eu simplifiquei esta simulação, mas basicamente é isso que acontece dentro de um duto de ar de um motor de um caça supersônico.

Agora você entende um pouco melhor sobre essas famosas ondas de choque e o motivo delas serem muitas vezes prejudicial ao ambiente. Nesta publicação eu dediquei exclusivamente ao uso na aviação, mas uma onda causada por explosão como aconteceu no porto de Beirute é o mesmo fenômeno.


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