Como a tecnologia laser protege os aviões de encontros desastrosos
Em novembro de 2001, um Airbus A300 operado pela American Airlines partiu de Nova York e caiu tragicamente apenas dois minutos após a decolagem, resultando na perda de todas as 260 vidas a bordo. A causa do acidente diferiu significativamente daquelas dos ataques de 11 de setembro ao World Trade Center; em vez disso, foi atribuído à esteira de turbulência-intensas formações de vórtices geradas pelas aeronaves durante o voo-que foram produzidas por um Boeing 747 da Japan Airlines que partiu momentos antes do malfadado voo da American Airlines.
Recentemente, um jato executivo Bombardier Challenger 604 experimentou uma descida de 3.000 metros após ser ultrapassado por um Airbus A380. Lamentavelmente, vários indivíduos sofreram ferimentos durante este incidente, enquanto o interior da cabine foi gravemente danificado. É importante notar que tais incidentes são relativamente comuns, ocorrendo um aproximadamente uma vez por mês. No entanto, acidentes mais significativos tendem a ocorrer a uma taxa de aproximadamente um a cada dois anos.
Um Cessna preso na turbulência da esteira de um helicóptero.
Os desastres aéreos podem ser atribuídos a eles, ao mesmo tempo que dificultam o crescimento da indústria da aviação. Para mitigar o seu impacto prejudicial, é aplicado um intervalo de tempo predeterminado entre descolagens e aterragens consecutivas. Além disso, um perímetro de segurança obrigatório deve ser observado durante os voos, o que pode ter sido negligenciado por Maverick e Goose em Top Gun, levando à perda de controle de suas aeronaves F-14.
A detecção da esteira de turbulência e sua progressão pode diminuir significativamente os atrasos e minimizar a distância percorrida, aumentando assim a segurança da aviação e reduzindo as despesas operacionais.
Lamentavelmente, conseguir uma representação abrangente de um redemoinho turbulento, especialmente um composto de gás, apresenta desafios consideráveis.
Numa obra de ficção, os caçadores de tempestades de Twisters sacrificaram corajosamente um automóvel em prol da ciência, pondo em perigo as suas próprias vidas, para estudar os efeitos do twister em objectos semelhantes a mármore. Isso permitiu aos pesquisadores obter informações sobre as características únicas do tornado através de sua resposta eletromagnética. Em contraste, os verdadeiros meteorologistas embarcam em missões perigosas a bordo de aeronaves equipadas com tecnologia avançada, aventurando-se nas profundezas de furacões tumultuosos para recolher dados cruciais em circunstâncias desafiadoras.
A fim de mitigar os riscos potenciais associados ao fenómeno conhecido como “estruturas vorticais”, o nosso objectivo é criar um dispositivo inovador que possa sondar eficazmente tais entidades a partir de um local remoto. Além disso, esta tecnologia pode ter aplicações significativas para além do domínio da segurança da aviação, incluindo o campo da astronomia, da ciência atmosférica e até do estudo das características da esteira das turbinas eólicas, que demonstraram representar sérias ameaças às populações de aves e podem estender-se por impressionantes distâncias de até centenas de metros.
Em uma investigação recente, avançamos um método para avaliar a velocidade e progressão de tais vórtices, aproveitando o efeito Doppler rotacional, que é uma ocorrência física que pode ser utilizada como um meio econômico de avaliação usando apenas um laser básico e um detector. A abordagem proposta tem ampla aplicabilidade, estendendo-se tanto às esteiras de turbinas eólicas quanto à medição de tornados.
Qual é o efeito Doppler rotacional?
O efeito Doppler convencional refere-se à mudança de frequência de uma onda, seja ela acústica ou eletromagnética, resultante do movimento do emissor e do receptor um em relação ao outro. Essa variação é diretamente proporcional à sua velocidade relativa. Uma aplicação notável deste fenômeno é a sua utilização pelas agências de aplicação da lei para determinar casos de excesso de velocidade através do uso de ondas de rádio ou ópticas. Além disso, o efeito Doppler também tem aplicações médicas, como o emprego de ondas acústicas para avaliar o fluxo sanguíneo dentro dos vasos.
O efeito Doppler rotacional, embora menos conhecido, serve como equivalente ao efeito Doppler típico experimentado por objetos em movimento em rotação.
Philéas Fogg, através da sua aventura em A Volta ao Mundo em Oitenta Dias, demonstrou uma compreensão clara do impacto que os padrões rotacionais da Terra podem ter na duração de uma viagem tão extensa. Na verdade, o prazo padrão para completar a viagem, que normalmente é de oitenta dias, pode ser prorrogado devido à rotação natural do planeta. Dependendo se alguém escolhe circunavegar o globo no sentido horário ou anti-horário, a viagem pode se estender para setenta e nove ou encurtar para oitenta e um dias, respectivamente.
Alternativamente, pode-se perceber este fenômeno através da observação de um relógio situado sobre um fonógrafo giratório. Deve-se notar que a taxa de movimento do referido relógio varia dependendo se alguém está nas proximidades da plataforma giratória ou dentro dos limites da sala onde ele reside.
Um relógio está correndo lentamente. Quando colocado em um toca-discos que gira mais rápido, as velocidades de rotação aumentam e um observador vê o relógio girando muito rapidamente//Fonte: Olivier Émile
Para que o efeito Doppler rotacional seja aplicável às ondas, é essencial que estas ondas apresentem um comportamento de “rotação”, o que normalmente não é observado em ondas planas.
Pelo contrário, certas ondas apresentam características que lembram a massa italiana “fusilli”, girando a uma velocidade diretamente correlacionada com a frequência da onda. Essas ondas são chamadas de ondas de momento angular orbital, ou OAM, na língua inglesa.
O fenômeno da dispersão da luz a partir de objetos giratórios exibe propriedades interessantes após exame. Especificamente, quando tal objeto é submetido à rotação, a luz espalhada não segue o exemplo; em vez disso, sua forma muda significativamente, perdendo a aparência de uma arma de fogo, por exemplo. Além disso, foi observado que o espectro de frequência da radiação retroespalhada sofre um deslocamento, que varia diretamente com a velocidade de rotação do objeto e com certas características intrínsecas conhecidas como “fusilli”. Medindo com precisão esta mudança na frequência, pode-se determinar com precisão a velocidade angular de qualquer movimento de vórtice presente no sistema que está sendo estudado.
A luz espalhada por um objeto em rotação sofre uma mudança de frequência proporcional à frequência de rotação.//Fonte: Olivier Émile
Sondar redemoinhos remotamente
Nosso grupo de pesquisa tem dedicado muito tempo à investigação de ondas “fusilli”, que abrangem sua criação, identificação e aplicação em objetos rotativos por meio do aproveitamento da luz.
Recentemente, alcançamos a caracterização abrangente de um vórtice líquido de “referência” criado por um dispositivo de agitação magnética dentro de um receptáculo, utilizando feixes de laser ondulados para gerar vórtices ópticos em formato de rifle e examinando a oscilação da luz espalhada pela água dentro do recipiente..
O deslocamento Doppler rotacional da luz espalhada pelo líquido em rotação permite traçar a distribuição das velocidades no vórtice//Fonte: Olivier Émile
Mais especificamente, quantificamos a distribuição das velocidades angulares dentro do vórtice, ao mesmo tempo que obtivemos um mapeamento ao longo do eixo longitudinal do vórtice. Isto permite uma compreensão abrangente da distribuição tridimensional das velocidades de rotação dentro do vórtice.
Atualmente estamos nos esforçando para replicar nosso procedimento experimental dentro de um ambiente controlado do laboratório, antes de conduzi-lo em condições reais de campo.
Olivier Emile é um ilustre professor de física que também realiza pesquisas na área, enquanto sua esposa Janine Emile também ocupa o cargo de professora de física.
O conteúdo deste artigo foi replicado e disponibilizado através de uma licença Creative Commons, publicada originalmente por The Conversation. Para acessar a versão original, consulte sua fonte.
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