Dia 1º de julho de 2012 em um evento comemorativo na Esplanada dos Ministério em Brasília, aconteceu algo incomum: Caças voando rápido e baixo quebraram diversas janelas do Supremo Tribunal Federal.
Caso tenha problema para visualizar o vídeo, clique no link.
Mas o que aconteceu para que as janelas se quebrassem?
Primeiro, temos que entender a natureza do som. O som é um conjunto de ondas de pressão, do tipo longitudinal, isto é: sua oscilação está na mesma direção que sua propagação. Ele é constituído por ondas mecânicas, assim sendo, necessita de um meio material para se propagar.
O som se propaga no ar a uma velocidade de 340 m/s (1 atm e 15º), o que equivale a 1224 km/h.
Imaginando uma fonte sonora se movendo, temos o seguinte diagrama indicando as frentes de onda:
Frentes de onda de uma fonte sonora se movendo.
A fonte sonora F se move com velocidade VF na direção do eixo x. Podemos perceber que as frentes de onda são acumuladas à frente da fonte sonora, causando um aumento na pressão e, logo atrás, uma abrupta diminuição da pressão¹.
Obs.: As frentes aqui estão sendo mostradas em apenas duas dimensões para fins didáticos. Elas são, na verdade, frentes de ondas esféricas. Mas no caso de um avião (ou qualquer outra fonte sonora) viajando abaixo da velocidade do som, as frentes de onda sempre estarão sendo propagadas à frente da fonte.
Em casos de um voo na velocidade do som ou em velocidade supersônica, temos as seguintes representações:
Frentes de onda de uma fonte sonora se movendo.
As linhas tracejadas indicam as ondas de choque.
Pelo diagrama das frentes de onda em velocidades supersônicas é fácil perceber que na frente da fonte sonora (do avião, no caso do vídeo) há um acúmulo de ondas de pressão. Esse acúmulo faz com que seja criado um “bolsão” de ar, pois as ondas se superpõem e se acumulam em apenas uma posição.
Dependendo da altura de voo e velocidade da aeronave, é possível que este bolsão de ar seja forte o bastante para fazer com que os vidros abaixo não suportem a pressão, quebrando-se. E foi exatamente isso o que aconteceu no domingo, 1º de Julho, na Esplanada: Dois aviões a jato (Mirage 2000) estavam se apresentando, voando rápido e baixo. Quando passaram pelo prédio do STF, a onda de choque foi tão grande que estilhaçou os vidros do prédio.
Número de Mach
Uma forma de relacionarmos a velocidade de um veículo com a velocidades das ondas sonoras num meio é dada por uma razão, chamada número de Mach. Este nome foi dado em homenagem ao austríaco Ernst Mach, que foi o primeiro cientista a medir com precisão a velocidade do som no ar. Desta explicação temos que um avião voando a Mach 1 é o mesmo que dizer que ele está voando na velocidade do som.
Matematicamente, temos que:
Onde:
- Ss é o espaço percorrido pelo som
- Sf é o espaço percorrido pela fonte
- Vs é a velocidade do som no meio
- Vf é a velocidade da fonte
- t é o tempo percorrido
- θ é o ângulo do cone Mach
Curiosidades:
- Velocidades acima de Mach 1 são chamadas supersônicas. As velocidades acima de Mach 5 têm o nome de Hipersônicas.
- O primeiro avião comercial a realizar vôo supersônico foi o russo Tupolev TU-144, aproximadamente um ano antes de seu concorrente direto, o famoso Concorde.
- Logo antes de atingir (e ultrapassar) Mach 1, aviões podem enfrentar certa instabilidade durante o voo por conta do acúmulo de ar na parte dianteira do avião e nas partes frontais das partes aerodinâmicas. Por isso a importância de jatos supersônicos ultrapassarem essa velocidade com certa rapidez, evitando ficar no limiar de velocidades sub e supersônicas.
- ¹ Por conta da variação de pressão que, em determinadas condições de temperatura e umidade, podemos observar a formação de um cone de condensação, como nas imagens abaixo:
Guilherme Rizzo 