THE SOUND BARRIER

Flying at Mach 1

One F-18 braking the sound barrier

Why is the speed of jet planes measured in Mach, rather than kilometers or miles per hour?

Slow airplanes like a small Cessna 172, fly at a cruise speed of 110 Knots (1 Knot = 1 nautical mile per hour = 1.825 Km/h).

At that speed, the air can be treated as an incompressible fluid and there's nothing to worry about shock waves troubling the normal flow trough the wings.

But things get quite different, as the aircraft reaches the speed of sound,. The behavior of the airflow changes dramatically as the plane gains speed.

Several pilots died trying to brake the sound barrier and planes were destroyed. The first pilot to brake it was Chuck Yeager in a Bell X-1. It was the year of 1947.

Yeager's Bell X-1 being launched from a B-29

But the speed of sound is not the same everywhere in the atmosphere. It depends a lot on its density, which depends on its temperature and pressure. For example, the speed of sound waves at sea level, at 15º Celsius and 1013 HPa is 1225 Km/h or 661 Knots. At an atitude of 40.000 feet ( 12.1 Km ) with a temperature of -56.6ºC, the speed of sound is just 1062 Km/h or 573 Knots.

For the flight safety, it's much more important for pilots to know how the air will behave with the airframe at the relative speed they're traveling, than the ground speed they're doing.

So, the Mach Number was created. 

It measures the ratio between the relative speed of a moving object to the speed of sound in the medium. As it's a ratio of two equal units, it has no units.

That's the reason why we say Mach 0.9 and not 0.9 Machs.

The Mach number was named after an Austrian scientist Ernst Mach who studied the shock waves.

Every cockpit has, at least, one Machmeter.

The Concorde's Machmeter reading more than Mach 1.83

A commercial airplane like the Airbus A380 has a cruise speed around Mach 0.85, while the brand new business jet Cessna Citation X+ tops Mach 0.93.

The Cessna Citation X+

There are supersonic airplanes flying at over Mach 1. The Concorde flew at Mach 2.04. Most fighters like the F-18 Super Hornet fly between Mach 1.5 and Mach 2.

An there is also hypersonic flight, like the reentry flight of the space shuttle, flying at around Mach 25!

The Space Shuttle reentering the atmosphere at Mach 25

Some people believe that hypersonic flight will be a reality in a few years when passengers will fly at Mach 3 or Mach 4. The Sonic Star is one of these projects. Cool!

The Sonic Star project

A BARREIRA DO SOM

Voando a Mach 1

Um F-18 quebrando a barreira do som

Porque é que a velocidade dos jactos modernos é medida em Mach, em vez de quilómetros ou milhas por hora?

Aviões mais lentos como o pequeno Cessna 172, voam a uma velocidade de cruzeiro de 110 Nós (1 Nó = 1 milha náutica por hora = 1,825 Km/h).

A essa velocidade, o ar pode ser tratado como um fluido incompressível e não há nada a temer em relação ao que as ondas de choque possam fazer ao fluxo normal do ar nas superfícies da aeronave.

Mas, à medida que o avião se aproxima da velocidade do som, as coisas mudam de figura. O comportamento do fluxo de ar muda dramaticamente à medida que o aparelho ganha velocidade.

Vários pilotos morreram a tentar quebrar o muro do som e muitos aparelhos foram destruídos. O primeiro piloto a quebrá-la foi Chuck Yeager num Bell X-1. Estávamos no ano de 1947.

O Bell X-1 de Chuck Yeager sendo lançado de um B-29

A velocidade do som não é a mesma em toda a atmosfera. Depende da densidade do ar, que por sua vez, depende da sua temperatura e pressão. Por exemplo, a velocidade das ondas sonoras, ao nível do mar, a 15º Celsius e 1013 HPa é de 1225 Km/h ou 661 Nós. A 40.000 pés de altitude ( 12.1 Km ) com uma temperatura de -56.6ºC, essa velocidade reduz-se para 1062 Km/h ou 573 Nós.

Para a segurança do voo é vital para os pilotos saberem com o ar se irá comportar com a fuselagem à velocidade que estão viajando, muito mais importante do que a informação da velocidade em relação ao solo.

Por isso, foi criado o Número de Mach. 

Ele mede a razão entre a velocidade relativa de um objecto em movimento com a velocidade do som nesse meio. Como é uma razão entre duas unidades iguais, não tem unidades.

É por esta razão que nós dizemos Mach 0.9 e não 0.9 Machs.

O Número de Mach deve o seu nome ao físico Austríaco Ernst Mach que estudou, entre outras coisas, as ondas de choque.

O Machímetro, presente em todos os cockpits é vital para a segurança de voo. 

O Machímetro do Concorde marcando mais de Mach 1.83

Um avião comercial como o Airbus A380 voa a uma velocidade de cruzeiro de cerca Mach 0.85, enquanto o novíssimo jacto executivo Cessna Citation X+ chega a Mach 0.93.

O Citation X+

Os aviões supersónicos voam a mais de Mach 1. O Concorde voava Mach 2.04. A maioria dos caças como o  F-18 Hornet deslocam-se entre Mach 1.5 e Mach 2.

Também existe o voo hipersónico, como a reentrada na atmosfera do Space Shuttle, a velocidades próximas de Mach 25.

O Space Shuttle a reentrar na atmosfera a Mach 25

Várias pessoas acreditam que, dentro de uns anos, o voo hipersónico comercial será uma realidade, com passageiros viajando entre Mach 3 e Mach 4. O Sonic Star é um destes projectos.

O projecto Sonic Star