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

TRITONE

Diabolus in Musica, The music of the devil

Music has always had rules. And all rules are meant to be broken.

For some time, the tritone interval was forbidden. If was the devil's interval and no composition should use it, although there's no evidence of anyone being punished for that reason.

Music was played to praise the gods. As the tritone is rather dissonant, it could only be the Devil's work.

But, what's the tritone interval? Well, it's the exact middle of the scale, or, in a simpler way, it's an interval where 2 notes are 3 whole tones apart from each other.

Like, from C to F# which we call today an augmented fourth, or a diminished fifth (with Gb).

In the medieval ages, Tritone was used although it was quite dissonant. It was just in the early 18th century that it was diabolized.

The classical intervals have a simple relationship between notes, an octave is 2:1, a perfect fifth is 3:2 and a major third is 5:4. The tritone is 45:32! This explains it's dissonance.

It's tension was the reason why Fire-trucks klaxons use a sequence of 2 notes in a tritone interval.

C-F#! C-F#! C-F#!

This interval is also called the Tristan interval because of it's usage by Wagner in Tristan and Isolda. Chopin, Schönberg and many other composers also explored this rich interval in their work.

Jazz composers use it in a special way, called the tritone substitution, where a dominant chord is replaced by it's tritone, which performs the same function due to the fact that they have several notes in common.

Leonard Bernstein's "West Side Story" made this interval famous in the two first notes of the song "Maria".

TRITONE

Diabolus in Musica, O Diabo na música

A Música sempre teve regras. E as regras são feitas para serem quebradas.

Durante algum tempo, o intervalo tritonal ou trítono foi proibido. Era o intervalo do Diabo e nenhuma composição o deveria usar, embora não existam indícios de ninguém ter sido castigado por isso.

A Música era tocada para agradar aos Deuses. Como o trítono é bastante dissonante, só poderia ter sido obra do Diabo!.

Mas, o que é este trítono? Bem é o meio exacto da escala, ou, de uma forma mais simples, é um intervalo em que 2 notas distam rigorosamente 3 tons inteiros uma da outra.

Como de Dó para Fá sustenido, aquilo a que também chamamos uma quarta aumentada ou uma quinta diminuta, se for Sol Bemol.

Na idade média, o trítono era utilizado, embora fosse bastante dissonante. Foi só no princípio do século XVIII que o trítono foi banido. 

Os intervalos clássicos têm uma relação simples entre as frequências das suas notas, um oitava é de 2:1, uma quinta perfeita 3:2 e uma terceira maior é 5:4. O trítono corresponde a 45:32! Isto explica a sua dissonância.

A sua tensão foi a razão pela qual os camiões dos Bombeiros e ambulâncias uma sequência tritonal de duas notas.

Dó-Fá #! Dó-Fá #! Dó-Fá #!

Este intervalo também ficou conhecido como o intervalo de Trsitão devido ao seu uso por Wagner em Tristão e Isolda. Chopin, Schönberg e muitos outros compositores Também exploraram este rico intervalo no seu trabalho.

Os compositores de Jazz usam o trítono de uma forma especial, fazendo aquilo a que se chama a substituição tritonal, onde um acorde de dominante é substituído pelo seu trítono, que exerce a mesma função devido a ter uma série de notas comuns.

E na "West Side Story" de Leonard Bernstein, este intervalo ficou famoso nas duas primeiras notas da canção "Maria".

THE PENTATONIC SCALE

It lives in our brain

The pentatonic scale only uses 5 notes of the usual 7 note scale. The 4th and 7th grades are omitted.

It corresponds to the black keys of a piano keyboard ( Db,Eb, Gb, Ab and Bb) or, transposing, to C, D, E, G and A, for example.

The most striking aspect of this scale is that it exists in almost every place in the world, from Asia, where it's the basis of music composition in China, Mongolia, Laos, Philipines, Indonesia, Vietnam, Malasia or Japan (here, with a different pentatonic scale), to northern Africa, everywhere in Europe, where it's found on Celtic or Greek traditional music, for example. Also in Hungary, and America in the Afro-American gospel and spiritual songs, in South America in the Andes mountains. 
Well, you name it and you'll find  the scale there.

Carl Orff, the famous german composer of Carmina Burana, was a great enthusiast of this scale. 

Carl Orff

He built instruments for children, known as the Orff instruments and, although they had all the bars of the C major scale, those were easy to remove so that students could learn in a simpler way.

A Glockenspiel

"Experience first, then intelectualize" said Orff.

A Xilophone with the 4th and 7th grade bars removed

The most incredible feature of the pentatonic scale is the way it seems to be imprinted in our brains.

The natural human capacity to understand and follow the pentatonic scale is demonstrated in this spectacular video presented by Bobby McFerrin at the World Science Festival.

A ESCALA PENTATÓNICA

Vive no nosso cérebro

A escala pentatónica usa apenas 5 notas da escala habitual de 7 notas. São omitidos o 4º e o 7º grau.

Basicamente, corresponde às teclas pretas do teclado de um piano ( Ré b, Mi b, Sol b, Lá b, Si b ) ou, transpondo, ao Dó, Ré, Mi, Sol e Lá, por exemplo.

Uma das características mais impressionantes desta escala é que pode ser encontrada em quase todo o Mundo, desde a Ásia, onde forma a base da música tradicional Chinesa, Mongol, do Laos, Filipinas, Vietnam, Malásia, Indonésia e Japonesa ( com uma escala pentatónica diferente), até ao Norte de África, por todo o lado na Europa, onde se encontra na música Celta e Grega, por exemplo. Também na música tradicional Húngara. Na América do Norte, nos Espirituais Negros e na América do Sul em toda a música Andina. 
Bem, ounde quer que procurem , irão encontrar uma escala pentatónica.

Carl Orff, o famoso compositor alemão da Carmina Burana, era  um grande entusiasta desta escala. 

Carl Orff

Ele criou vários instrumentos para crianças, conhecidos como os instrumentos de Orff e, embora tivessem todas as barras da escala de Dó maior, algumas peças podiam ser retiradas para criar as escalas mais simples.

Um Glockenspiel

"Experiementem primeiro, intelectualizem depois" dizia Carl Orff.

Um xilofone sem o 4º e o 7º graus

Mas o aspecto mais incrível desta escala é a forma como está impressa na nossa mente.

A capacidade humana inata para compreender e seguir uma escala pentatónica pode ser demonstrada neste magnífico vídeo de Bobby McFerrin no World Science Festival.

BELLS

The most powerful means of sound communication in the middle ages was the bell.

Bells can be found almost all over the world. Mostly in Europe, Asia and America. They are part of the towns soundscape and they helped people organizing their day.
They would ring for waking up, to call for prayer, for lunch, fire, attack, weddings, to tell the hours. They rang for so many reasons that they were heard all day.

The sound of a bell can travel several miles, so, every bell was precious and kept with great care.

In Christian Europe, bells are found in churches, monasteries and cathedrals, where they are struck by metal hammers. Several sizes create different tones, with which melodies are played.

New bells for Notre Dame

In the Russian and Greek Orthodox church, there's a wooden bell, struck by a wooden hammer, the Semantron.

Left, a Semantron

It is struck in different places, creating the tone variety.

The soundscape of a town depends a lot on its bells. 

Istambul has quite an interesting story of fighting over bells. The beautiful main cathedral Hagia Sophia was a meeting point between the European and Asian civilizations, when the town was still called Constantinopla. It was the center of the Orthodox church.

The magnificent Hagia Sophia in Istambul

In the XV century, when Constantinopla was conquered by the Ottoman Turks, the cathedral was converted into an Islamic mosque.

As the Islamic law obliges that, calling the believers to the prayer, has to be done through the human voice, the bells were silenced.

Some bells are quite small, others are giants, that would need a lot of engineering to be placed on top of the churches towers.

The Tsar Bell, that can be found in the Kremlin weights more than 200 tons and has been broken because of a fire in the year 1737. It's still broken and can be seen on the floor, with the "small" broken piece at its side.

The Tsar Bell at the Kremlin

The "tiny" piece weighs more than 11 tons.
Napoleon Bonaparte, after having conquered Moscow, decided to take it with him to France, but couldn't move it.

Ref: "NOISE, a human history of sound & listening" by David Hendy, pages 105 to 109

SINOS

O meio mais poderoso de comunicação pelo som, desde a idade média, foi o sino.

Os sinos podem ser encontrados em quase todo o Mundo. Especialmente na Europa, Ásia e América. Eles faziam parte da paisagem sonora das cidades e ajudavam as pessoas a organizar o seu dia. 
Poderiam tocar para a alvorada, para chamar à oração, almoço, fogo, ataques, casamentos, marcavam as horas, enfim, tantas razões para serem ouvidos o dia todo.

O som de um sino viaja muitos quilómetros, por isso, todos os sinos eram muito preciosos e mantidos com grande cuidado.

Na Europa Cristã, os sinos encontram-se nas igrejas, mosteiros e catedrais, onde são percutidos por martelos de metal. Sinos de tamanhos vários produzem sons de tonalidades diferentes, criando melodias.

Novos sinos para a Notre Dame, Paris

Na igreja Ortodoxa Grega e Russa, há um equivalente em madeira, percutido com um martelo horizontal, também de madeira, chamado semantron.

À esquerda, um Semantron

Bate-se no instrumento em diferentes sítios, criando a variedade tonal.

A paisagem sonora de uma cidade depende muito dos seus sinos. 

Istambul tem uma história bastante interessante de lutas pelo controle dos sinos. A sua maravilhosa catedral principal, Hagia Sophia, era um ponto de encontro entre a as civilizações Europeia e Asiática, ainda a cidade se chamava Constantinopla. Era também o centro da igreja Ortodoxa.

A magnífica Hagia Sophia em Istambul

No século XV, quando Constantinopla foi conquistada pelos Turcos Otomanos, a catedral foi convertida numa mesquita Islâmica.

Uma lei Islâmica de 630 D.C., obrigava a que o chamamento dos fiéis para a oração fosse feito exclusivamente através da voz humana, por isso, os sinos foram silenciados.

Alguns sinos são pequenos, outros são autênticos gigantes, requerendo muita engenharia para serem colocados no topo das torres.

O Sino do Czar, que pode ser encontrado no Kremlin, pesa mais de 200 toneladas e partiu-se em consequência de um fogo em 1737. Pode ser visto no chão, com a pequena peça partida a seu lado.

O sino do Czar no Kremlin

A "pecinha" pesa mais de 11 toneladas.
Napoleão Bonaparte, quando conquistou Moscovo, decidiu levá-lo para França, mas não o conseguiu mover do lugar.

Ref: "NOISE, a human history of sound & listening" by David Hendy, pags 105 a109

H2SO4 swiuyiua Water jshkjh?

The sound in the classroom

Do you remember your classroom, back when you were in school?

It didn't change much, did it?

Despite living in a completely different world , surrounded by mobile devices, computers and always online with the whole planet,  what happens in the modern classroom is still basically speaking and listening.

And speaking and listening requires a good speaker, a good listener and a good environment.

Let's start with the environment, because it's crucial for the job.

According to the American National Standard on Classroom Acoustics, a good classroom has two qualities:

1. The unoccupied room must not exceed 35 dBA in ambient noise.

2. The reverberation time should be less than 0.6 seconds for a normal room and 0.7 seconds for a bigger one.

Most classrooms have a much higher ambient noise level. This is due to construction, but also to the vicinity of roads, playgrounds, hallways. The noise very often raises to 50 dBA or more.

The insulation is usually very poor, with single glass windows and old thin doors.

The reverb times are also higher than required, raising to more than 1 second. This has a strong effect on the way students hear to teachers words, especially in the back rows.

Even in the US, in most classrooms, the students hear 3 out of 4 words of what is being said. In the UK, there are schools where they can only hear 1 out of 4*.

The teacher has to shout all the time in order to be understood, placing teachers among the professionals with more vocal diseases.

To make it worse, students are not the best listeners, a great percentage of them has developed early NIHL, noise induced hearing loss, and they live in a world where stimulus change every second. They are not educated to listen for a long time.

In order to catch the attention of a population of students, a good speaker should use silence, prosody, changes of rhythm and volume, which is impossible if you're shouting all the time.

How can we brake this vicious circle?

The first step has to be a good isolation and treatment of the classroom.

You can argue that this costs money.

Well, it does, but if you take the cost paid every year by the government for a single student in college, you'll find that it would be enough to treat a room for ever.

The Portuguese government paid, in 2010/2011, 4.415€ per student in college. This is more than enough to treat a room.

If only one student per room would pass, instead of failing one year, this tiny difference would make the state save money.

*Ref: Julian Treasure, "The Sound Business" page 202

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O som na sala de aula

Lembram-se de como era a nossa sala de aula, nos tempos em que éramos estudantes?

Não mudou muito, pois não?

Apesar de vivermos num mundo completamente diferente, rodeados de dispositivos móveis, computadores e de estarmos online com todo o planeta,  aquilo que acontece na sala de aula é, basicamente falar e escutar.

E, para falar e escutar, é preciso um bom orador, um bom ouvinte e um bom ambiente.

Comecemos pelo ambiente, já que é crucial para esta actividade.

De acordo com o American National Standard on Classroom Acoustics, uma boa sala de aula tem duas qualidades:

1. A sala não ocupada não pode exceder 35 dBA de ruído de fundo.

2. O tempo de reverberação deve ser inferior a 0.6 segundos para uma sala média e 0.7 segundos para uma maior.

No entanto grande maioria das salas de aula tem um ruído ambiente muito superior. Isto é devido à sua construção, mas também à vizinhança de estradas, recreios e corredores. O ruído ambiente geralmente chega e ultrapassa os 50 dBA.

O isolamento é muito fraco, com janelas de vidro simples e portas velhas e pouco espessas.

Os tempos de reverberação são também mais elevados, ultrapassando  1 segundo. Isto produz um efeito dramático na forma como os estudantes ouvem as palavras do professor, especialmente, os das filas traseiras.

Mesmo nos Estados Unidos, na maioria das salas, os estudantes ouvem apenas 3 em cada 4 palavras do que está a ser dito. No Reino Unido, há escolas onde só se ouvem 1 em cada 4*.

O professor tem de gritar o tempo todo para se fazer ouvir, o que coloca os professores entre as profissões com mais doenças relacionadas com a voz.

Para piorar isto tudo, os estudantes não são os melhores ouvintes, uma grande percentagem deles desenvolveu NIHL (noise induced hearing loss) precoce,  e estão habituados a viver rodeados de estímulos que variam a cada segundo. Não estão educados para escutar durante muito tempo.

De forma a poder atrair a atenção de uma população destas, um bom orador deveria usar silêncio, prosódia e mudanças de ritmo e volume, o que é impossível, se estamos a gritar o tempo todo.

Como poderemos quebrar este ciclo vicioso?

O primeiro passo é um bom isolamento e tratamento da sala de aula.

Podem argumentar que isso custa dinheiro.

Bem, custa, mas se considerarmos os custos pagos, pelo governo para um único estudante frequentar o ensino secundário, descobrirão que seria mais do que suficiente para tratar um sala de aula para sempre.

O governo Português pagou, no ano lectivo 2010/2011, 4.415€ por cada aluno do secundário. Mais do que suficiente para tratar uma sala.

Se isso fizesse a diferença entre um único aluno passar em vez de chumbar, o Estado já estaria a poupar dinheiro.

*Ref: Julian Treasure, "The Sound Business" pag 202