A velocidade Mach (Ma) é uma unidade de medida de velocidade. É definida como a relação entre a velocidade do objeto e a velocidade do som:
onde:
é o número Mach
é a velocidade média relativa do objeto
é a velocidade média do som
A nomeação desta velocidade se deu em homenagem ao físico e filosófo austríaco Ernst Mach que publicou em 1877 a sua teoria de um corpo capaz de ultrapassar a velocidade do som. Um Mach (Ma), possui a velocidade de 1234,8 km/h, sendo considerada a velocidade mínima para que qualquer corpo consiga ultrapassar a barreira do som. Para que os físicos pudessem fazer cálculos mais precisos foram criados 5 categorias de velocidade para determinar em que velocidade está o corpo:
- Subsônica: Ma < 1
- Transônica: 0.8 < Ma <1.2
- Sônica: Ma = 1
- Supersônica: Entre 1.2 Ma e 5 Ma
- Hipersônica: Ma > 5
A velocidade transônica está entre a velocidade sub e supersônica. O período trânsonica inicia quando as primeiras partes do avião alcançam Ma>1 e começa a aparecer uma barreira de ar em volta das asas do avião. Quando finalmente o avião ultrapassa a velocidade sônica, segue-se um forte estrondo sonoro quando o avião excede Mach 1; a maior diferença de pressão passa para a frente da aeronave. Esta abrupta diferença de pressão é a chamada onda de choque, que estende-se da traseira à dianteira com uma forma de cone (chamado cone de Mach). Esta onda de choque causa o “boom sônico” que se ouve logo após a passagem do avião. O piloto da aeronave não consegue ouvir este ruído. Quanto maior a velocidade, mais limitado é o cone. Após ultrapassar Mach 1 dificilmente irá se formar um cone completo, mas um plano levemente côncavo.
Com o aumento da velocidade Mach há uma redução da força da “onda de choque” e o cone de Mach começa a ficar mais estreito. Com a vazão dos fluidos atravessando a “onda de choque”, a velocidade é reduzida e a temperatura, pressão e densidade são aumentadas.
A velocidade hipersônica acontece quando devido a alta velocidade a temperatura aumenta de tal modo que acabam tendo a ionização e dissociação de moléculas de gás antes da “onda de choque” começar.
Está claro que qualquer objeto que viaje a velocidades hipersônicas (Mach 13 ou cerca de 16.000 km/h) acaba da mesma forma sendo exposto a temperaturas extremas como ocorre no nariz da aeronave, portanto a necessidade de ter materiais resistentes ao calor se tornam importantes.
Certos aviões quando passam a velocidade de Mach 1 têm as suas asas “recolhidas”, pois a relação da área da asa e a velocidade é inversa: diminuindo a área da asa haverá um aumento de velocidade. É óbvio que quando se acelera para a velocidade supersônica, é necessário que tenha uma extremidade convergente-divergente, onde a convergência é usada para acelerações até Mach 1 e a parte divergente continua a aceleração.
Estas extremidades são chamadas de “extremidades de Laval” e nos ônibus espaciais elas acabam chegando a velocidades hipersônicas. Dentro das aeronaves existem o “Machmetro”, que é um sistema de informação de vôo (SIV) que mede a velocidade Mach derivada da pressão interna dividida pela pressão externa da aeronave.
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