Onda de choque
Onda de choque é uma onda caracterizada por ser um distúrbio em propagação onde propriedades como velocidade, pressão, temperatura ou densidade variam de maneira abrupta e quase descontínua. Esta onda pode ocorrer tanto em meios físicos, propagando-se de maneira mecânica, quanto em campos como o campo elétrico e o campo magnético. Como qualquer onda, uma onda de choque carrega energia e pode se propagar em qualquer meio.
Sabemos que o som é uma onda causada pela variação de pressão no meio, portanto, o som que ouvimos quando um avião quebra a barreira do som decorre de uma variação abrupta de pressão. Um avião com uma velocidade subsônica (abaixo da velocidade do som) não provoca grandes perturbações na pressão, e essas pequenas perturbações possuem a velocidade do som e acabam viajando mais rápido que o próprio avião. Ou seja, ao se deslocar, a aeronave envia ao ar em sua frente "mensagens" para esse ar sair do caminho de passagem do avião. Assim, o ar contorna o avião sem provocar as ondas de choque. Já num avião que viaja com velocidade supersônica (acima da velocidade do som), não existe esse "aviso" pois a própria aeronave está a frente das perturbações provocadas por ela. Dessa forma, o ar é deslocado repentinamente, provocando uma grande variação de pressão e causando uma onda de choque. Uma fonte estacionária emite ondas de som esféricas. Se a fonte possui uma velocidade menor que a velocidade do som, ainda sim será propagada em formas esféricas e será percebida com frequências diferentes ao se aproximar e se afastar de um observador estacionário (Efeito Doppler). Entretanto, se a fonte viaja com uma velocidade maior que a velocidade do som, as esferas emitidas possuirão um ponto tangente em comum, formando um cone de propagação e uma zona de alta pressão. A superfície desse cone é a onda de choque e a direção de propagação da onda é perpendicular a superfície do cone. A interseção do cone com o solo é uma hipérbole, e o estrondo causado pelo rompimento da barreira de som é ouvido em todos os pontos dentro dessa hipérbole. Ondas de choque podem, a longas distâncias, se transformar em ondas sonoras normais ao perder energia (aquecendo o ar).
O Número de Mach ( M {\displaystyle \ M} ) é definido pela razão entre o módulo da velocidade de um objeto na atmosfera ( v {\displaystyle {v}} ) (o avião) e o módulo da velocidade do som ( v s {\displaystyle {v_{s}}} ): M = v v s {\displaystyle \ M={\frac {v}{v_{s}}}} Quando M<1, temos velocidades subsônicas e para M>1, velocidades supersônicas. O inverso de M {\displaystyle \ M} é o seno do meio ângulo φ que ocorre no Cone de Mach, que é o cone formado em uma onda de choque: s e n {\displaystyle sen} (φ) = v s v {\displaystyle ={\frac {v_{s}}{v}}} Quanto maior for a velocidade do objeto, menor será o ângulo de abertura do cone. Na terceira figura, em que v > v s {\displaystyle {v}>{v_{s}}} , qualquer frente de onda é dada por v t {\displaystyle {vt}} , onde v {\displaystyle {v}} é a velocidade do som e t {\displaystyle {t}} é o tempo decorrido desde que a fonte emitiu essa frente. Todas as frentes se agrupam em forma de V (mas na verdade estão em três dimensões, formando um cone, o Cone de Mach). É esse agrupamento de frentes de onda que causa a abrupta variação (primeiro elevação e depois queda) de pressão do ar, formando uma onda de choque.
