Aquecimento de objetos pelo “atrito” com a atmosfera

16 de janeiro, 2018 às 12:18 | Postado em Atmosfera, Mecânica, Mecânica de fluidos, Termologia, termodinâmica

Caro professor, tenho uma dúvida que meus professores de física não conseguiram me responder: um objeto ao penetrar na atmosfera e seguir ao solo com aceleração da gravidade tende a aquecer com o atrito das partículas do ar e na maioria dos casos se desintegra antes de chegar ao solo. Então como é possível que o mesmo ar em contato com um radiador ou entrada de ar nos motores de avião possam resfriar a superfície? São grandezas diferentes?

Objetos que ingressam na atmosfera em altíssima velocidade, oriundos de regiões muito distantes da Terra, não seguem com a aceleração da gravidade pois sofrem enorme frenagem ao interagirem com o gás atmosférico, mesmo rarefeito, em altas altitudes. Portanto sofrem acelerações de frenagem que nada tem a ver a com a aceleração da gravidade.

Tais frenagens implicam em grande dissipação de energia por compressão e aquecimento adiabático da atmosfera e do corpo cadente. Denominar tal processo como “atrito” não é correto conforme discutido em Dúvida sobre meteoro: causa do aquecimento e razão da interferência com as telecomunicações.

Então a condição para que ocorra importante aquecimento do gás e do corpo é que a velocidade do corpo em relação à atmosfera seja maior do que a velocidade de propagação do som no meio gasoso. Ou seja, o corpo deve se encontrar com velocidade supersônica.

O ar em contato com o  sistema de arrefecimento de aviões em velocidades subsônicas se encontra praticamente na temperatura ambiente na altitude de voo. Esta temperatura, para grandes aeronaves de passageiros que voam a 10 km de altitude é aproximadamente 220 K ou -53°C conforme Temperatura da atmosfera terrestre depende da altitude.

Para caracterizar o aquecimento de aeronaves supersônicas vou dar alguns exemplos. O avião Concorde que podia voar até com duas vezes a velocidade do som,  portanto a 2 Mach (1 Mach: velocidade do som), atingia temperaturas de mais de 100°C em algumas regiões de sua estrutura conforme vê-se na figura da Wikipedia.

O avião Blackbird, quando atinge a velocidade de 3,3 Mach, apresenta em regiões de sua estrutura temperaturas de 565°C. O alumínio usualmente usado na construção de aeronaves não suporta tal temperatura e por isso ele foi construído com titânio.

A aeronave não tripulada HTV-2, que voa em velocidade hipersônica de aproximadamente 20 Mach, foi construída com um composto de carbono pois atinge temperaturas, insuportáveis para qualquer metal, de 2000°C. A figura artística encontrada na Wikipedia, sugere em vermelho temperaturas muito altas da atmosfera rarefeita a dezenas de quilômetros de altitude.

Os meteoroides podem chegar nas camadas superiores da atmosfera a 50  Mach ou mais! Ao “queimarem” tornam-se visíveis e então são denominados de meteoros.

Quando um objeto atinge velocidades supersônicas uma onda de choque (onda de alta pressão devido à compressão do ar a frente do objeto seguida por uma região de baixa pressão na traseira) é produzida constantemente, percebida por observadores como um estrondo quando a eles chega. Vide mais em Ondas de choque: quando acontecem? Por esta razão aviões devem sobrevoar regiões habitadas em velocidades subsônicas.

“Docendo discimus.” (Sêneca)