Humans have been fascinated with speed for ages. The history of human progress is one of ever-increasing velocity, and one of the most important achievements in this historical race was the breaking of the sound barrier. Not long after the first successful airplane flights, pilots were eager to push their planes to go faster and faster. But as they did so, increased turbulence and large forces on the plane prevented them from accelerating further. Some tried to circumvent the problem through risky dives, often with tragic results. Finally, in 1947, design improvements, such as a movable horizontal stabilizer, the all-moving tail, allowed an American military pilot named Chuck Yeager to fly the Bell X-1 aircraft at 1127 km/h, becoming the first person to break the sound barrier and travel faster than the speed of sound. The Bell X-1 was the first of many supersonic aircraft to follow, with later designs reaching speeds over Mach 3. Aircraft traveling at supersonic speed create a shock wave with a thunder-like noise known as a sonic boom, which can cause distress to people and animals below or even damage buildings. For this reason, scientists around the world have been looking at sonic booms, trying to predict their path in the atmosphere, where they will land, and how loud they will be. To better understand how scientists study sonic booms, let's start with some basics of sound. Imagine throwing a small stone in a still pond. What do you see? The stone causes waves to travel in the water at the same speed in every direction. These circles that keep growing in radius are called wave fronts. Similarly, even though we cannot see it, a stationary sound source, like a home stereo, creates sound waves traveling outward. The speed of the waves depends on factors like the altitude and temperature of the air they move through. At sea level, sound travels at about 1225 km/h. But instead of circles on a two-dimensional surface, the wave fronts are now concentric spheres, with the sound traveling along rays perpendicular to these waves. Now imagine a moving sound source, such as a train whistle. As the source keeps moving in a certain direction, the successive waves in front of it will become bunched closer together. This greater wave frequency is the cause of the famous Doppler effect, where approaching objects sound higher pitched. But as long as the source is moving slower than the sound waves themselves, they will remain nested within each other. It's when an object goes supersonic, moving faster than the sound it makes, that the picture changes dramatically. As it overtakes sound waves it has emitted, while generating new ones from its current position, the waves are forced together, forming a Mach cone. No sound is heard as it approaches an observer because the object is traveling faster than the sound it produces. Only after the object has passed will the observer hear the sonic boom. Where the Mach cone meets the ground, it forms a hyperbola, leaving a trail known as the boom carpet as it travels forward. This makes it possible to determine the area affected by a sonic boom. What about figuring out how strong a sonic boom will be? This involves solving the famous Navier-Stokes equations to find the variation of pressure in the air due to the supersonic aircraft flying through it. This results in the pressure signature known as the N-wave. What does this shape mean? Well, the sonic boom occurs when there is a sudden change in pressure, and the N-wave involves two booms: one for the initial pressure rise at the aircraft's nose, and another for when the tail passes, and the pressure suddenly returns to normal. This causes a double boom, but it is usually heard as a single boom by human ears. In practice, computer models using these principles can often predict the location and intensity of sonic booms for given atmospheric conditions and flight trajectories, and there is ongoing research to mitigate their effects. In the meantime, supersonic flight over land remains prohibited. So, are sonic booms a recent creation? Not exactly. While we try to find ways to silence them, a few other animals have been using sonic booms to their advantage. The gigantic Diplodocus may have been capable of cracking its tail faster than sound, at over 1200 km/h, possibly to deter predators. Some types of shrimp can also create a similar shock wave underwater, stunning or even killing pray at a distance with just a snap of their oversized claw. So while we humans have made great progress in our relentless pursuit of speed, it turns out that nature was there first.
Os humanos sempre foram fascinados pela velocidade. A história do progresso humano é a da velocidade sempre crescente, e uma das mais importantes conquistas desta corrida histórica foi a quebra da barreira do som. Pouco tempo depois dos primeiros voos bem-sucedidos, os pilotos desejavam acelerar suas aeronaves cada vez mais. Mas quando o faziam, o aumento da turbulência e enormes forças sobre o avião impediam que eles acelerassem demais. Alguns tentaram contornar o problema por meio de mergulhos arriscados, quase sempre com resultados trágicos. Finalmente, em 1947, aperfeiçoamentos de projetos tais como um estabilizador horizontal móvel, uma cauda com mobilidade total, permitiram que um piloto militar americano, chamado Chuck Yeager, conduzisse o Bell X-1 a 1.127 km/h, tornando-se o primeiro a quebrar a barreira do som e voar com velocidade maior do que a do som. O Bell X-1 foi a primeira de muitas aeronaves supersônicas que se seguiram, sendo que os projetos mais recentes atingiram velocidade maior que Mach 3. Uma aeronave que se desloca com velocidade supersônica cria uma onda de choque com um barulho semelhante ao de um trovão, chamado de estrondo, que pode causar estresse em pessoas e animais no solo e até estragos em edificações. Por esta razão, cientistas de todo o mundo pesquisam o estrondo sônico, tentando prever seu percurso na atmosfera, qual local ele vai atingir, e a intensidade que terá. Para entender melhor como os cientistas estudam o estrondo sônico, comecemos com os fundamentos do som. Imagine jogar um pedrinha nas águas calmas de um lago. O que se vê? A pedra faz as ondas se deslocarem na água com a mesma velocidade, em todas as direções. Esses círculos que aumentam de raio são chamados de frentes de onda. Analogamente, embora não possamos vê-las, uma fonte de som estacionária, como um aparelho de som estéreo, cria ondas de som que se propagam no ambiente. A velocidade das ondas depende de fatores como a altitude e a temperatura do ar pelo qual se propagam. Ao nível do mar, o som viaja a cerca de 1.225 km/h. Mas no lugar de círculos em uma superfície bidimensional, as frentes de onda sonoras são esferas concêntricas, e o som se propaga ao longo de raios perpendiculares a essas ondas. Imagine uma fonte de som que se desloca, como o apito de um trem. Enquanto a fonte se desloca em uma certa direção, as ondas sucessivas lá na frente vão se aglomerando cada vez mais. Esta maior frequência de onda é a causa do famoso efeito Doppler, pelo qual objetos que se aproximam têm som mais agudo. Enquanto a fonte se deslocar mais lentamente do que as ondas de som, estas ficarão aninhadas dentro das outras. Quando a velocidade for supersônica, se deslocar mais rápido do que o som que ele gera, a situação muda dramaticamente. Quando ultrapassar as ondas de som que ele mesmo emitiu, enquanto cria novas, a partir da posição momentânea, as ondas são comprimidas e formam o cone de Mach. Nenhum som é ouvido quando ele se aproxima de um observador porque o objeto se desloca mais rápido do que o som que ele produz. Só depois que o objeto tiver passado, o observador ouvirá o estrondo sônico. Quando o cone de Mach atinge o solo, ele forma uma hipérbole, deixando um rastro, o tapete de estrondo, enquanto ele avança. Isto possibilita determinar a área afetada pelo estrondo sônico. Como calcular a intensidade do estrondo? Isto requer resolver as famosas equações de Navier-Stokes para determinar a variação da pressão de ar provocada pelo deslocamento supersônico da aeronave dentro dele. Isto resulta numa assinatura de pressão conhecida com onda-N. O que significa esta forma? A onda supersônica acontece quando há uma mudança súbita de pressão, e a onda-N envolve dois estrondos: um para o aumento inicial da pressão no nariz da aeronave, e outro quando a cauda passa, e a pressão subitamente volta ao normal. Isto causa um estrondo duplo, Mas normalmente é percebido como um único estrondo pelo ouvido humano. Na prática, modelos computacionais que usam estes princípios podem, com frequência, prever a localização e a intensidade de estrondos sônicos para determinadas condições atmosféricas e trajetórias de voo, e há pesquisa em curso para mitigar seus efeitos. Enquanto isso, o voo supersônico sobre os continentes continua proibido. Então, os estrondos sônicos são uma invenção recente? Não exatamente. Enquanto tentamos torná-los mais silenciosos, alguns animais tiram vantagem do estrondo sônico. O gigantesco diplodoco pode ter sido capaz de golpear com sua cauda mais rápido do que o som, perto de 1.200 km/h, possivelmente para deter predadores. Alguns tipos de camarão também criam uma onda de choque semelhante na água, desorientando ou até matando presas à distância, apenas fechando rapidamente suas enormes pinças. Enquanto os humanos fizeram grande progresso na incansável busca pela velocidade, descobre-se que a natureza chegou lá primeiro.