Por que os motores a jato são tão altos?

1 ano ago
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As pessoas que moram perto dos aeroportos são mais suscetíveis ao estresse, problemas de memória e até doenças cardíacas. Essas enfermidades são provocadas pela poluição sonora que sobrecarrega incessantemente seus ouvidos. Estamos todos familiarizados com o rugido dos aviões que fazem as janelas e os móveis tremerem de medo. O barulho é muito mais perturbador quando gritado por um avião a jato vociferante.

Me lembra do Homem de Ferro.

O som de um jato é tão alto que, mesmo quando alguém atravessa as camadas mais altas do céu, deixando para trás uma trilha grossa de nuvens artificiais ao lado de nuvens naturais, o ruído agudo e penetrante ainda pode ser ouvido distintamente. Na verdade, a 140 decibéis (uma unidade para medir a intensidade do som), o ruído de um avião a jato é de apenas 40 decibéis longe de danificar nossos tecidos auditivos e 54 decibéis longe do barulho mais alto possível. Mas o que causa esse barulho?

O motor

Para entender o que impulsiona esse incrível barulho, precisamos primeiro entender o que impulsiona o próprio jato. O motor de um jato pode ser dividido em várias partes distintas. A primeira parte é o ventilador, que realiza a tarefa de sugar o ar. As lâminas são concebidas de forma a atrair e engolir um enorme volume de ar dentro do motor. O ar é então transferido para o compressor, que comprime o ar para torná-lo mais inflamável. O compressor, como o ventilador, é composto de lâminas projetadas de maneira inteligente, que manipulam as moléculas de ar para compactar em espaços mais apertados. O compressor de um jato comprime o ar até 12 vezes a pressão original!

Motor a jato e diagrama

(Crédito da foto: Jeff Dahl / Wikimedia Commons)

O ar inflamável é passado para a câmara de combustão, onde o combustível é injetado. Uma faísca elétrica incendeia a mistura. O gás queimado instantaneamente expandido precisa encontrar uma saída, mas não pode sair através do ventilador devido ao ar que entra. O gás, em vez disso, escapa através de um bocal na outra extremidade do motor. Essa força, de acordo com a terceira lei do movimento de Newton, gera uma força igual e oposta para empurrar o jato na direção oposta. O aparelho é anexado por uma turbina com pás que são giradas pelas rajadas de gás quente. A turbina também é fixada ao ventilador e compressor para mantê-los girando.

Diferenças de velocidade

Uma mudança enorme e abrupta na velocidade do fluido é observada em dois instantes: quando o ar entra no motor através do ventilador e quando o gás resplandecente jorra através do bocal. O fluxo de gás a uma velocidade tão exorbitante cria uma turbulência notória no ar circundante, que transmite um excesso de ondas de pressão ao acaso. E o que é som, mas simplesmente uma onda de pressão viajando através de um meio, como o ar?

Por exemplo, quando uma lâmina rotativa da ventoinha passa um volume de ar, ela a comprime, embora minuciosamente. No entanto, antes de completar uma revolução e retornar ao mesmo ponto, a pressão do ar é recuperada. Mas quando o ventilador completa uma volta, o ar ao redor é comprimido novamente. O ciclo de compressão e recuperação continua enquanto a ventoinha continua girando. O ventilador do motor de um jato gira a 20.000 RPM, então a frequência dessas mudanças é drasticamente alta.

Ondas sonoras que vêm do alto-falante para o ouvido

Um som é apenas uma vibração viajando como uma onda de pressão através de um meio, como o ar.

Da mesma forma, quando o gás na outra extremidade se expande exponencialmente em um instante, a perturbação caótica ou a turbulência do fluxo transmitem ondas de pressão por toda parte. Agora, se a frequência dessa perturbação está dentro do espectro de freqüência audível, uma sensação de audição é sentida. Um extremamente alto. Outros fatores que agravam o efeito são a turbulência em torno das asas, as bordas da cauda e o trem de pouso, além das vibrações do painel.

Reduzindo o barulho e o mistério da turbulência

Para diminuir a intensidade desse ruído, os engenheiros costumam afixar um misturador ou um kit silencioso no final do motor. Um misturador mistura o gás quente com ar frio, que flui em torno da câmara de combustão para diminuir a temperatura do gás inflamado e, assim, diminuir sua velocidade. Isso, obviamente, afeta o desempenho de um jato, mas é o compromisso que os engenheiros devem aceitar.

Misturador jet enine e kit Hush

Mixer no motor a jato e kit Hush (Crédito da foto: Alf van Beem / Wikimedia Commons)

Outra maneira de diminuir o choramingar é usar bocais mais longos, de modo que a turbulência do gás expandido seja mais controlada. Novamente, consequentemente, a velocidade do jato é diminuída, mas a redução na intensidade é de cerca de 15 decibéis. Isso pode soar como uma mudança insignificante, mas como a escala de decibéis é logarítmica, a redução é realmente imensa. A conclusão é que quanto mais lento o jato, mais silencioso ele é.

É a turbulência causada pelo ar de alta velocidade que sai do bocal e entra no ar de baixa velocidade que é responsável pela produção de ondas sonoras tão poderosas. Os físicos explicam o ruído alto como a “amplificação das flutuações de turbulência”. Quanto ao que explica a turbulência em si, ainda estamos mistificados. A natureza caótica da turbulência deixou os físicos perplexos desde a antiguidade. No entanto, uma vez que o ar inundando violentamente um motor a jato produz campos acústicos impressionantemente ordenados, o estudo desses motores representa uma oportunidade para estudar a própria turbulência.

A natureza caótica da turbulência deixou os físicos perplexos desde a antiguidade.

No entanto, o progresso não foi substancial. O propósito de sua natureza volúvel ainda nos ilude. O sofrimento de um físico que estuda a turbulência foi descrito com perfeição pelo ganhador do Prêmio Nobel, Werner Heisenberg, quando disse comicamente: “Quando eu me encontrar com Deus, farei duas perguntas: por que a relatividade? E por que a turbulência? Eu realmente acredito que ele terá uma resposta para o primeiro.

Referências:

  1. NASA.gov
  2. Wikipedia
  3. Scitation.org
  4. Penn State University
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