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Voo supersônico e vidraças quebradas

Exauri minha capacidade de simplificar as coisas tentando explicar o fenômeno do “sonic boom” que rompeu as vidraças do Supremo Tribunal Federal em Brasília.

Simplesmente a matéria de voo supersônico é complexa demais para tentar em pouco espaço explicar o porquê dos Mirage terem quebrado vidros enquanto o F/A 18 dos Caçadores de Mitos, apesar de várias passagens supersônicas, não terem confirmado que isso poderia acontecer. Pesquisei alguns livros, fiz anotações e decidi escrever só um pouco sobre o assunto, só um pouco mesmo.

Mesa com notebook e livro de pesquisa

Preparando o post e a gata checando o SR-71

Antes de tudo é preciso esclarecer que a quebra de vidros não é um mito, o “sonic boom” pode quebrar vidros sim, embora isto não seja mais comum hoje em dia, falarei a esse respeito mais a frente quando mencionar os testes de efeitos do barulho sônico sobre estruturas e seres humanos feitos pelos Estados Unidos na década de 60. Não sou especialista em voos supersônicos (e tem poucos no mundo que o são), mas juntei uns pedaços de informação aqui e ali pra entender um pouco mais sobre o fenômeno.

Começando do começo: Por que ocorre esse tal de “sonic boom” quando o avião voa mais rápido que o próprio som?

Quando um objeto navega pelo ar, ele precisa tirar este ar da frente para poder passar certo? Este ar sendo removido, cria ondas de pressão, muito parecidas com as marolas que se formam quando um navio está em movimento, e estas ondas viajam com a velocidade do som.

Agora complica um pouco: quando o avião começa a se aproximar da velocidade do som, estas ondas não conseguem sair da frente do nariz a tempo e começam a se comprimir umas nas outras e se misturam formando uma onda só exatamente quando se atinge Mach 1 (a própria velocidade do som, aproximadamente 1225 km/h ao nível do mar com 20°C).

O fenômeno de compressão do ar se torna visível próximo a Mach 1, dependendo da umidade atmosférica, causando um lindo cone de condensação que muitas pessoas confundem com o voo supersônico, quando na verdade é transônico.

F/A-18 próximo de quebrar a barreira do som

Cone de condensação em um F/A 18

Quando o avião ultrapassa esse número mágico de Mach 1, dizemos que a barreira do som foi “quebrada”, e é como se o navio passasse tão rápido na sua frente que não faria marolas, estas só apareceriam depois que ele já tivesse passado (ver figura 1).

Desenho que mostra o cone formado pela passagem de avião supersônico

Figura 1 – O Cone de ondas formado pela passagem da aeronave

O sonic “boom” acontece por causa do enorme aumento de pressão no nariz da aeronave e da diminuição exponencial na cauda (pressão negativa), seguida pelo retorno a pressão normal depois que o avião passa: BUM! Acontece a mesma coisa durante os raios na tempestade, a descarga abre caminho muito mais rápido do que o ar pode sair da frente e então vem o trovão depois que ela já passou.

O “bum” ocorre por causa da mudança repentina de pressão, e como há aumento de pressão no nariz e diminuição na cauda, ocorrem dois “bums”, no vídeo abaixo é bem audível o “double boom” dos ônibus espaciais (pulem o vídeo para 0:52):

Quanto maior for a aeronave, mais distintivo será o duplo bum. Como a velocidade acima do som é constante, o “bum” segue a trajetória de voo como se fosse um tapete desenrolando atrás do avião. Como se já não fosse complicado de entender, o som perto do objeto que se move é diferente do que se ouve após a propagação pelo ar, por isso que nos testes de ruído ficou constatado que a altitude que a aeronave voa não influencia na diminuição do volume percebido do “bum”. No livro que eu tenho do XB-70 Valkyrie, é descrito que o sonic boom era ouvido mesmo com o bombardeiro voando a altitudes acima de 70 mil pés. As ondas de pressão (nariz e cauda) tem o formato de uma letra “N”, e adivinha como são chamadas? Ondas “N” (N waves), bem criativo.

A distância em que o bum vai ser ouvido depende da altitude e do ângulo de trajetória do voo.

A pressão sonora mais alta já registrada por um sonic boom foi de 7 KPa (Kilo Pascal – aproximadamente 513 k/m2 ou 1,01 PSI, para ter uma noção, o pneu do seu carro é calibrado entre 25 e 35 PSI) e não causou nenhum problema auditivo nos pesquisadores expostos ao evento. O “bum” foi causado por um Phantom F4 voando um pouco acima de Mach 1 e a apenas 30 metros de altitude. Durante os testes uma cidade ficou exposta constantemente aos “sonic booms” de diversos tipos de aviões, em diversas horas, e percebeu-se que os moradores com o tempo se acostumaram com os “booms” (apesar de algumas vitrines quebradas) e ninguém apresentou qualquer problema de saúde relacionado aos testes.

Em pesquisas recentes contudo, a maior pressão sonora medida foi de 1,010 Pa (102 k/m2 ou apenas 0,14 PSI), e existe a probabilidade de que ocorra quebra de vidros mesmo com essa menor pressão, mas jamais danos estruturais.

O volume de som gerado por essa onda de choque depende da quantidade de ar sendo acelerada, portanto depende do tamanho e principalmente da forma da aeronave. A forma é importante pois várias ondas de choque se formam em várias partes do avião e se somam para se transformar em uma só onda N gigante.

Uma curiosidade sobre o que aconteceu em Brasília é que os dois Mirage estavam aparentemente na mesma velocidade e próximos um do outro, e de acordo com este estudo da Força Aérea Americana, a onda “N”pode ser amplificada em determinadas condições (não estou dizendo que foi isso que ocorreu):

Extrato de texto de um livro da USAF sobre voo supersônico

Trecho de texto do estudo “Sonic Boom” da USAF – 1966

As pesquisas sobre o “sonic boom” desta época levaram os cientistas Seebass e George a definirem uma figura de mérito (FM) que caracterizavam os níveis de sonic boom de diferentes aeronaves. A fórmula para calcular a FM é simples: Peso da aeronave em Libras dividido por 3/2 do Comprimento em polegadas:

Descrição Formula FM

Quanto menor for este valor, menos “bum” a aeronave gera. Usando estes cálculos, os cientistas chegaram a um FM de 1.41 para o Concorde e afirmaram que o FM para qualquer aeronave de transporte precisa ser menor que 1.00, por isso o Concorde só podia ficar supersônico sobre o oceano e em áreas desabitadas.

Peguei a fórmula e joguei no Excel calculando o peso (vazio) e comprimento do Concorde conforme mostrado na página da Wikipedia e obtive o FM de 1,45, bem próximo aos 1,40 calculado pelos cientistas.
Fiz isto para comparar as FM do F/A-18C e do Mirage 2000 para ver se as diferenças em níveis de sonic boom explicariam a quebra das vidraças.

Obtive os seguintes valores, verificando as páginas da Wiki do F/A-18 e do Mirage 2000:

No F/A-18, o cálculo resultou em uma FM de 1,32 e no Mirage, uma FM de 1,21. Assumindo que os valores da Wiki de peso vazio estão corretos, o F/A 18 por ser um avião com uma FM maior, deveria definitivamente quebrar as vidraças, mas não foi isso que aconteceu, por que?

Porque não é somente o comprimento e peso que caracterizam o sonic boom, mas também a forma da aeronave. O Mirage 2000 e o F/A-18 possuem formas totalmente diferentes, e apesar do jato americano ser muito maior e mais pesado (3 metros e 3.000kg a mais), a FM não possui uma diferença significativa, isto por que a McDONNELL DOUGLAS aplicou no F/A 18 muito dos avanços e pesquisas sobre “sonic boom” e assinatura de radar, e apesar de ambos terem feito o primeiro voo em 1978, o Mirage 2000 possui praticamente a mesma forma, tamanho e peso do Mirage III de 1956, com uma diferença de apenas 500 KG e alguns centímetros (menor no comprimento, maior na envergadura).

Desenho comparativo do Mirage com o F/A-18

F/A-18 and Mirage 2000

No desenho acima é possível ver a posição retardada das entradas de ar no F/A-18 para diminuir a onda de choque próximo ao nariz, uma das características deste modelo. O formato rombudo do nariz, por incrível que pareça, ajuda na diminuição do “bum”. Aliás, o maior conhecedor vivo de fenômenos supersônicos da Terra, Domenic Maglieri, possui junto com outros cientistas a patente de diminuição do barulho sônico através de alteração das formas de fuselagem.

Em 2003, um NORTHROP F-5E comum voando sobre o leito seco de um lago na Califórnia balançou o chão com um “bum” resonante ao passar acima de Mach 1. Segundos depois, outro F-5E voando na mesma rota e com a mesma velocidade fez um barulho totalmente diferente, muito mais abafado e silencioso que o primeiro.
O segundo F5-E havia sido completamente modificado para atenuar o “boom”. Coloquei lado a lado na foto o F5E modificado e o normal. A forma parece até o nariz de um pelicano não é?

Comparativo ntre o F5-E normal e o modificado para reduzir ruído

DARPA F-5E e um F-5E normal abaixo

E aqui o resultado incrível que a nova forma causou no estrondo sônico, veja que a pressão sonora do nariz diminuiu vertiginosamente, enquanto a da cauda se manteve, já que a cauda do DARPA não sofreu qualquer modificação. Olhando o gráfico também se entende o motivo de terem batizado as ondas de pressão de “N”.

Gráfico mostrando a diminuição das ondas N com o novo nariz

Perceba a diminuição de pressão sonora da primeira onda de choque

Então concluo que a forma da aeronave foi o fator decisivo para os Caçadores de Mito não terem conseguido quebrar os vidros das taças e confirmar o “mito”. Não vou continuar com o assunto, pois ainda teria que falar sobre densidade do ar, temperatura, tipo de terreno, entre outras inúmeras variáveis que podem alterar a velocidade do som e a características das ondas “N”, porém concluo também que o afastamento do piloto foi um erro, já que os estudos conduzidos em 1960 já apontavam que vidros podiam se quebrar, mas não consistentemente, e como tanto o Mirage quanto as janelas do STF possuem suas raízes nos anos 60, até um Aero Boero passando por ali quebraria as vidraças!

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Sobre o Autor

Graduado em Manutenção de Aeronaves, com muito bom senso :) 30 anos de aviação comercial (e contando), de Lockheed Electra à Boeing 787. Tentando simplificar a complexidade da aviação.
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