Imagem: O cone de Mach é uma imagem relevante do conceito de onda de choque e barreira do som. Quando o plano excede Mach 1, as ondas caem em um cone com o plano como seu ápice. A fronteira entre o cone de mach e o exterior forma uma hipérbole que avança com o plano. A intensidade do estrondo é o resultado da mudança abrupta na pressão quando a pressão do ar retorna repentinamente ao seu equilíbrio médio natural. Essa implosão da onda em si mesma causa o estrondo.
Crédito: FA-18 Hornet quebrando a barreira do som em 7 de julho de 1999 pelo Ensign John Gay, Marinha dos EUA
Onda de choque
Antes de explicar o efeito Cherenkov é necessário entender o fenômeno que cria a onda de choque produzida atrás de uma aeronave que excede a velocidade do som (≈340 m/s).
Quando a velocidade do avião é menor que a velocidade do som, as ondas sonoras se propagam ao seu redor em todas as direções. Essas esferas concêntricas de pressão do ar aumentam seu raio em 340 metros a cada segundo e o avião ainda está dentro da frente de onda. Assim, as ondas sonoras produzidas pelas colisões das moléculas de ar se movem mais rápido que o avião e suas energias se dissipam lentamente com o quadrado da distância (i=p/4πr2).
Mas, à medida que a velocidade do avião aumenta, as ondas na frente dele se aproximam e se acomodam cada vez mais, enquanto as de trás se alongam. Este efeito de expansão e contração das frequências sonoras é a causa do efeito Doppler (o som da aproximação de objetos sonoros parece mais agudo!).
A intensidade das ondas sonoras pode aumentar como as alturas das ondas podem aumentar quando elas se encontram. Enquanto o avião se move mais lentamente do que as ondas sonoras que ele cria, as ondas permanecem circunscritas umas às outras sem que sua energia se acumule.
Mas quando o avião atinge a velocidade do som, enquanto gera novas ondas a partir de sua posição atual, as ondas que têm a mesma fase se juntam, se acumulam na frente dele e a pressão sobe repentinamente formando uma onda de choque. Então a pressão diminui ao longo do avião para subir novamente de repente ao nível da cauda do avião. Essas duas sobrepressões causam dois estrondos sônicos tão próximos que nosso ouvido só ouve um. Este estrondo não é ouvido pelos passageiros porque o choque de pressão atrás da aeronave não pode alcançá-la. As ondas de choque então se propagam em um cone chamado cone de Mach.
Quando a velocidade do avião ultrapassa Mach 1, ele cruza em um instante a barreira de ar comprimido que se formou à sua frente, é o que se chama de barreira do som. A onda de choque produzida faz com que o ar circundante sofra variações bruscas de pressão e temperatura. Acontece que a temperatura do ar cai abaixo do ponto de orvalho, o vapor d'água contido no ar então se condensa em gotículas finas formando uma nuvem que acompanha o avião em seu voo supersônico como na foto.
Explicação do efeito Cherenkov
Imagem: A luminosidade azulada da água nas piscinas de resfriamento de combustível usado das usinas nucleares é gerada pelo efeito Cherenkov.
A velocidade da luz no vácuo (299792 km/s) é a velocidade máxima do movimento da energia. Mas a velocidade da luz na água (225563 km/s) pode ser excedida, o que torna possível o efeito Cherenkov.
Crédito: Radiação Cherenkov no núcleo do Reator de Teste Avançado, Laboratório Nacional de Idaho.
A Luz de Cherenkov, do físico russo Pavel Tcherenkov (1904-1990), é um flash de luz produzido por uma partícula com carga elétrica à medida que se move através de um meio material (como água ou ar) com um velocidade maior do que a velocidade da luz neste meio. A velocidade da luz no vácuo é sempre maior que isso.
A analogia entre o efeito Cherenkov e a onda de choque supersônica é fácil de imaginar.
Um avião se movendo mais rápido que o som no ar cria uma onda de choque na qual todas as ondas sonoras se encontram. A correspondência com o efeito Cherenkov é feita substituindo o plano por uma partícula carregada e o som pela luz.
Em um meio material como água ou ar, a luz viaja a uma velocidade c1 = c/n.
c = velocidade da luz no vácuo
n = índice de refração do meio sempre > 1 (exemplos: ar=1,0003, água=1,333, fibra óptica=1,5, diamante=2,41)
Uma partícula carregada pode se mover neste meio a uma velocidade v maior que c1, mas permanece menor que c, o que não contradiz a teoria da relatividade especial.
O que explica essa emissão radiativa azul na água?
A partícula carregada interage ao longo de sua trajetória com o meio que atravessa. Durante sua jornada pela água, ele interrompe temporariamente os átomos que encontra. Em outras palavras, os elétrons se desviam de sua posição inicial e depois retornam ao seu lugar. Assim, cada átomo encontrado pela partícula devolve a energia absorvida e se torna um emissor de radiação. Todas as ondas emitidas por cada um dos átomos se sobrepõem de forma desordenada, apresentam fases diferentes, tanto que sua soma se anula.
No entanto, a velocidade na água da partícula carregada, que pode ser assimilada ao plano supersônico, é mais rápida que a velocidade da onda emitida por cada átomo na água. Quando a partícula ultrapassa a velocidade da luz no meio, todas as ondas se encontram na mesma fase e, portanto, somam-se construtivamente como no caso da onda de choque supersônica. Este fenômeno então causa uma frente de onda análoga à barreira do som no cone Mach. Uma transição repentina ocorre então ao longo de toda a trajetória da partícula, ou seja, 10 bilhões de vezes por metro. O efeito Cherenkov manifesta-se, ao longo de todo o percurso, pela emissão de uma onda de luz em todos os comprimentos de onda, com predominância no azul e no ultravioleta.
Esses flashes explicam a luz azul nas piscinas de resfriamento de combustível usado das usinas nucleares. Isso se deve aos elétrons energéticos emitidos pela radioatividade que atingem velocidades maiores que a da luz na água.
Os detectores Cherenkov estão localizados em grandes tanques de água e são usados para detectar partículas de energia muito alta (Antarctic Muon and Neutrino Detector Array, Super-Kamiokande).
A luz de Cherenkov também está envolvida na detecção de neutrinos produzidos em reações nucleares no núcleo do Sol (Observatório de Neutrinos de Sudbury).
Todos os astronautas das missões Apollo se queixaram de fosfenos durante suas missões. Descobriu-se que esses distúrbios visuais luminosos eram devidos ao efeito Cherenkov. As partículas do vento solar que passam pelo líquido dos globos oculares produzem fosfenos. Esses fosfenos também ocorrem na Terra, à razão de um ou dois em média por pessoa por ano.