Onda sonora e onda de choque

Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br

Introdução
É bem sabido que o som nada mais é do que uma sucessão de ondas de compressão e rarefação se propagando no ar e em outros materiais. Estudos experimentais revelaram um fato curioso --- a velocidade do som no ar é independente da densidade do ar e é a mesma tanto ao nível do mar como na rarefeita atmosfera superior. Por outro lado, essa velocidade depende da temperatura do ar, sendo diretamente proporcional à raiz quadrada da temperatura absoluta.

  Como poderemos explicar esses fatos do ponto de vista da estrutura molecular e do movimento térmico?

Conceito
Para tanto, temos de lembrar que o ar é constituído por uma infinidade de moléculas ¾ as quais se deslocam de modo erradio no espaço e com velocidades que aumentam com a temperatura.  Quando uma onda de compressão sonora é emitida, digamos, por um diapasão, as moléculas de ar mais próximas de suas hastes são empurradas na direção do movimento, e, por colisão com outras moléculas, mais afastadas (na delgada camada seguinte de ar), comunicam a estas o impulso recebido pelas hastes do diapasão. Essas, por sua vez, empurram as moléculas da camada seguinte e, assim, a compressão se propaga através do ar, formando uma onda sonora.

Como as moléculas do ar devem deslocar-se ao longo de uma distância relativamente grande (a chamada trajetória livre ou livre percurso médio) antes de atingirem as moléculas da camada seguinte, a velocidade de propagação é essencialmente determinada pela velocidade térmica das moléculas. Esse quadro dinâmico explica os fatos acima citados, concernentes à velocidade do som.

Na verdade, a velocidade térmica das moléculas permanece igual a, uma mesma temperatura, independentemente do grau de compressão ou rarefação do gás.  Por outro lado, como a energia cinética das moléculas é proporcional à temperatura absoluta, sua velocidade aumenta na razão direta da raiz quadrada da temperatura.  E, o que se verifica para a velocidade das moléculas, deve ser também verídico para a velocidade do som.

Uma situação inteiramente diversa ocorre quando a velocidade do objeto que produz a compressão no gás excede a velocidade do movimento térmico molecular sob condições dadas. Isso acontece, por exemplo, quando os gases quentes formados em uma explosão deslocam o ar circundante, ou quando o ar é empurrado para os lados pelas asas e pela fuselagem de um avião ou projétil supersônico.  Neste caso, a velocidade térmica das moléculas não é suficientemente alta para fugir ao propulsor que avança e começam a se empilhar umas sobre as outras, com o resultante aumento de densidade.  A diferença entre este caso e o previamente discutido está, esquematicamente, na ilustração a seguir. 

(Esquerda) - Formação de uma onda sonora num caso em que o propulsor se move mais lentamente do que as moléculas; 
(Direita) - Formação de ondas de choques (choques estacionários) quando os propulsores se movem mais rapidamente.

A frente progressiva de gás, altamente comprimido, forma o que é chamado onda de choque. Em razão da densidade grandemente aumentada, as ondas de choque têm superpressão correspondentemente aumentada, o que explica seus efeitos destrutivos.

No caso das explosões, a expansão dos gases quentes se retarda, a compressão do ar se separa do propulsor e continua deslocando-se como onda de choque.

No caso dos aviões e projéteis supersônicos, que se deslocam à velocidade constante, impulsionados por seus motores, a onda de choque permanece estacionária relativamente ao corpo em movimento (ou seja, a onda permanece colada ao corpo) e é, por isso, conhecida como choque constante.