Ondas de choque
Texto: Bruno Pacheco – Vitrine: Eduardo Godoi
Olá, estamos de volta com a coluna e hoje falaremos sobre ondas de choque, seus tipos e razões de estudo.
Antes de falarmos das ondas de choque, devemos primeiro falar do som. Som nada mais é que um pulso de pressão que se propaga em um meio físico (ar, por exemplo) com uma dada velocidade. Para um dado gás perfeito, a velocidade que um pulso se propaga nele só depende da temperatura.
Quando voamos em velocidades próximas as do som, os pulsos de pressão se acumulam, pois sua velocidade relativa ao móvel se aproxima de zero (figura 1). Isso causa uma compressão e o ar não pode mais ser considerado incompressível.
Figura 1 – Aproximação das ondas sonoras
Fonte: Aerodinâmica e Teoria de Voo
Disso, temos que ao se acumularem esses pulsos, é formada uma região bem fina, onde antes e depois desta, as propriedades mudam drasticamente. Essa região é chamada de onda de choque.
Ondas de choque estão presentes sempre no regime supersônico, quando o escoamento, por um aerofólio por exemplo, tem que se adequar as condições ambientes sem a perturbação causada pelo aerofólio. Como há velocidades supersônicas, as ondas de pressão acabam por não interferir no escoamento a frente e a mudança acontece bruscamente quando há a “adequação” do escoamento ao contorno que é o ambiente.
Tipos de ondas de choque
Figura 2 – Tipos de ondas de choque
Fonte: Fundamentals of Aerodynamics
Nos escoamentos percebe-se a existência de diferentes tipos de onda de choque. O caso mais usual nos voos gerais (regime transônico), ou em bocais de exaustão de motores, temos as ondas de choque normais, que aparecem normais a superfície e desaceleram o escoamento de uma velocidade supersônica para uma velocidade subsônica, ocorrendo um aumento da pressão estática. Nesse processo, a entropia aumenta, ou seja, no processo, há perda de energia.
Essas ondas são típicas em mudanças de direções bruscas, ou em corpos pouco afilados. Por exemplo. Em voo supersônico existe uma onda de choque normal destacada, a frente do tubo de pitot (figura 3) que deve ser considerada na conversão da pressão medida em velocidade, pois essa onda muda completamente as propriedades lidas em relação às propriedades de voo.
Figura 3 – Onda de choque normal na frente do tubo de Pitot
Fonte: Fundamentals of Aerodynamics
Em escoamentos supersônicos, em que temos uma mudança mais suave de direção, aparecem as ondas de choque oblíquas, muito semelhantes às normais, porém com uma perda de energia menor. Essas ondas são coladas ao corpo e as partículas mudam de direção ao passar por elas. Após esse tipo de onda, o número de Mach diminui, mas na maioria das vezes continua supersônico, mas também pode ser subsônico. A pressão estática aumenta após a onda.
Por último temos um tipo de onda chamada de onda de expansão, que diferente das anteriores, acontece numa faixa ampla e não como uma descontinuidade. Típicas de mudanças de escoamento maiores que 180° elas diminuem a pressão do escoamento e aumentam o número de Mach, por ser um processo mais contínuo, praticamente não há perda de energia.
Pode-se pensar então que ondas de choque são sempre indesejáveis, pois perturbam demais o escoamento causando aumento de arrasto. Também, pode-se pensar que tendo as ondas de choque, é preferível a onda de choque oblíqua a normal, já que nesta há menor perda de energia. Na maioria dos casos sim. Mas um exemplo muito explicativo da importância das ondas de choque é na reentrada atmosférica. Velocidades altas como Mach 25 estão presentes e são elas que desaceleram os veículos na reentrada.
Outro fato a salientar é a importância da onda de choque normal. Elas, por serem destacadas do corpo aquecem o ar ao invés de aquecer o corpo. Uma onda de choque oblíqua, por ser colada, aquece muito mais a fuselagem, sendo inviável. Só lembrando que as temperaturas na reentrada atingem a ordem dos milhares de graus Celsius. A figura 4 mostra a diferença dos dois tipos de onda.
Figura 4 – Diferença da onda de choque de um corpo suave e de um corpo rombudo, como uma cápsula de retorno a atmosfera.
Fonte: Fundamentals of Aerodynamics
Na próxima coluna, vamos analisar como as ondas de choque afetam o voo transônico, suas implicações no arrasto e a importância de voar nessa faixa de número de Mach.
Ficamos por aqui. Qualquer dúvida ou sugestão sinta-se a vontade para contatar: bruno.rangel.pacheco@hotmail.com
Até a próxima,
