As ondas de choque são um fenômeno acústico que ocorre quando a velocidade de uma fonte é maior que a velocidade do som. Quando um avião supersônico quebra a barreira do som, podemos ouvir um som alto igual ao de uma explosão. Esse som se deve a uma abrupta mudança na pressão e densidade do ar causada pelas ondas de choque. As ondas de choque ocorrem quando um emissor de ondas sonoras consegue ultraar a velocidade do som naquele meio. Quando o avião atinge a velocidade do som, dizemos que ele está em Mach 1.
Leia também: O que são as ondas gravitacionais?
Tópicos deste artigo
- 1 - Resumo sobre as ondas de choque
- 2 - O que são ondas de choque?
- 3 - Como são formadas as ondas de choque?
- 4 - Exemplos de ondas de choque
- 5 - Tipos de ondas de choque
- 6 - Terapia por ondas de choque
Resumo sobre as ondas de choque
- As ondas de choque são um fenômeno acústico que ocorre quando a velocidade de uma fonte é maior que a velocidade do som no meio.
- As ondas de choque causam uma mudança abrupta da pressão do ar, produzindo um estrondo sônico.
- As frentes de onda de uma fonte supersônica formam um cone de Mach.
- Mach 1 = velocidade do som; Mach 2 = duas vezes a velocidade do som.
- Exemplos de ondas de choque: avião supersônico, chicote, projétil de arma de fogo e trovão.
- Tipos de ondas de choque: perpendicular e oblíquo.
- Terapia por ondas de choque: muito usada na medicina, é quando um dispositivo direciona ondas de choque em locais do corpo.
O que são ondas de choque?
As ondas de choque são um fenômeno acústico que ocorre quando a velocidade de uma fonte emissora de ondas sonoras é maior que a velocidade do som no meio. Essas velocidades são denominadas supersônicas. As ondas de choque causam uma mudança abrupta da pressão do ar, produzindo um som semelhante ao de uma explosão, conhecido como estrondo sônico.
Como são formadas as ondas de choque?
Na seguinte figura, mostram-se as frentes de onda produzidas em várias posições de três diferentes fontes: uma fonte com velocidade subsônica (menor que a velocidade do som), uma fonte na velocidade do som e uma fonte supersônica (maior que a velocidade do som):
Note que, na velocidade do som, as frentes de ondas sofrem uma sobreposição. Já as frentes de onda da fonte com velocidade supersônica se combinam em uma envoltória em formato de V no desenho bidimensional; porém as frentes de onda na verdade se propagam em três dimensões e se combinam em uma envoltória em formato de cone, chamado de cone de Mach, em homenagem ao físico austríaco Ernst Mach.
Dizemos que existe uma onda de choque na superfície desse cone porque a superposição das frentes de onda causa uma elevação e uma queda abrupta da pressão do ar quando a superfície a por um ponto qualquer.
Sendo v a velocidade do som no meio e vf a velocidade da fonte, o ângulo θ do cone de Mach é dado por:
\(sen(\theta) = \frac{v}{v_f}\)
Perceba que quando a velocidade da fonte é igual à velocidade do som:
\(sen(\theta) = \frac{v}{v}=1\)
Ou seja, o ângulo do cone de Mach é perpendicular:
\(\theta = 90°\)
Exemplos de ondas de choque
→ Avião supersônico
Ondas de choque são produzidas pelas asas de um avião supersônico. Essas ondas de choque são visíveis porque a redução brusca da pressão do ar faz com que as moléculas de vapor d'água se condensem, formando uma nuvem:
As velocidades dos aviões supersônicos são medidas em função do som no meio. Essa velocidade é chamada de Mach 1. Assim, dizemos que um avião, quando voa na velocidade do som, está com Mach 1. Caso esteja voando com Mach 2, podemos dizer que esse avião voa com uma velocidade duas vezes a velocidade do som.
Não podemos determinar com exatidão (a menos que saibamos o valor da velocidade do som naquele ponto) a velocidade pelo fato de haver variação na temperatura e na densidade do meio. Um avião, voando em Mach 1, em uma grande altura, estará com velocidade menor do que 340 m/s, ou seja, em 1224 km/h, pois a densidade do ar diminui com a altitude.
A fotografia a seguir mostra um avião em voo supersônico e revela as distorções criadas pelas ondas de choque, resultantes de alterações na densidade e pressão do ar:
→ Chicote
Um estrondo sônico também pode ser produzido agitando-se rapidamente um chicote comprido. Perto do fim do movimento, a ponta está se movendo mais depressa que o som e produz um pequeno estrondo sônico: o estalo do chicote.
→ Projétil de arma de fogo
Além da detonação da pólvora, parte do som associado ao disparo de uma arma de fogo se deve ao estrondo sônico produzido pelo projétil supersônico.
→ Trovão
Quando ocorre um arco elétrico na atmosfera terrestre (ruptura dielétrica do ar) de grande intensidade entre nuvens ou entre uma nuvem e o solo, surge um grande raio e ocorre um aquecimento muito intenso que leva a uma expansão rápida do ar ao redor do raio.
Como a velocidade da expansão excede a velocidade do som, ouvimos o estrondo sônico na forma de um trovão. Nosso ouvido é atingido não só pela onda sonora que chega diretamente da descarga, como também pelas ondas refletidas em montanhas, prédios etc. Por esse motivo, geralmente não percebemos o trovão como um estalo único, mas como aquele eco característico.
Tipos de ondas de choque
As ondas de choque podem ser divididas em dois tipos:
- Perpendicular: quando a onda de choque é perpendicular à direção da fonte supersônica.
- Oblíquo: quando a onda de choque é inclinada por um ângulo oblíquo (um ângulo que não seja perpendicular ou um múltiplo de perpendicular) à direção da fonte supersônica.
e também: O que são ondas eletromagnéticas?
Terapia por ondas de choque
A terapia por ondas de choque é um procedimento médico não invasivo no qual um dispositivo direciona ondas de choque localizadas, que podem curar lesões, regenerar tecidos, melhorar a circulação sanguínea, acelerar a cicatrização de músculos e aliviar dores.
Crédito de imagem
[1] Eliyahu Yosef Parypa / Shutterstock
Fontes
CARRON, Wilson; GUIMARÃES, Osvaldo. As faces da física (vol. único). 1. ed. Moderna, 1997.
HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos da Física: Gravitação, ondas e termodinâmica (vol. 2). 9 ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2012.
NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Curso de física básica: Fluidos, oscilações e ondas, calor (vol. 2). 4 ed. São Paulo: Editora Blucher, 2013.
