Número de Mach e Compressibilidade
O número de Mach (M) é uma grandeza adimensional que representa a razão entre a velocidade do fluxo além de uma fronteira e a velocidade local do fluxo. velocidade do som: [latex]M = v/a[/latex], onde v é a velocidade do fluxo e a é a velocidade do som. É o principal indicador dos efeitos da compressibilidade. À medida que o número de Mach se aproxima e ultrapassa 1, a densidade do ar muda significativamente, alterando as forças aerodinâmicas.
O número de Mach é o parâmetro mais importante na análise de fluxos compressíveis de alta velocidade. Ao contrário dos fluxos de baixa velocidade (incompressíveis), onde a densidade do ar é considerada constante, em altas velocidades essa premissa deixa de ser válida. O número de Mach categoriza o fluxo em regimes distintos: subsônico (M < 1), transônico (0,8 < M 5). Cada regime possui características físicas únicas.
No regime subsônico, o ar se comporta como um fluido incompressível, e as perturbações de pressão se propagam a partir da aeronave em todas as direções. À medida que uma aeronave se aproxima de Mach 1 (o regime transônico), o ar à sua frente tem menos "aviso" de sua aproximação. O fluxo de ar começa a atingir a velocidade do som em algumas áreas, como a parte superior curva da asa, mesmo que a própria aeronave esteja em regime subsônico. Isso cria ondas de choque localizadas, que são descontinuidades abruptas de pressão, densidade e temperatura. Esses choques podem causar um aumento drástico no arrasto (arrasto de onda) e uma perda de sustentação, um fenômeno conhecido como barreira do som.
Quando uma aeronave ultrapassa Mach 1 (voo supersônico), ela ultrapassa suas próprias ondas de pressão. Essas ondas se coalescem para formar uma poderosa onda de choque, tipicamente em forma de cone na proa e na cauda, que é ouvida no solo como um estrondo sônico. Em voos supersônicos e hipersônicos, a física é dominada por essas ondas de choque. O projeto aerodinâmico passa de formas suaves e arredondadas para bordas de ataque afiadas, a fim de lidar com o intenso aquecimento e as forças associadas a fortes choques. O estudo da compressibilidade é, portanto, essencial para qualquer veículo projetado para viajar próximo ou acima da velocidade do som.
UNESCO Nomenclature: 2210
Mecânica
Precursores
- Studies on the speed of sound by various scientists including Pierre Gassendi and Isaac Newton
- Efeito Doppler, que descreve as mudanças na frequência da onda com o movimento.
- Estudos iniciais de balística sobre projéteis que se movem mais rápido que o som.
Aplicações
- Projeto de aeronaves supersônicas e hipersônicas, como jatos e foguetes.
- Entendendo as explosões sônicas
- projeto de pás de turbina de alta velocidade em motores a jato
- balística e projeto de projéteis
- bicos para motores de foguete (bocal de laval)
Ideias de Inovação Potencial
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Relacionado a: número de Mach, compressibilidade, supersônico, transônico, hipersônico, onda de choque, barreira do som, arrasto de onda.