La velocidad del sonido (II). Rompiendo la barrera del sonido

6 de marzo de 2017

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Bruno Henríquez

 

Los problemas son oportunidades
para demostrar lo que se sabe.

Duke Ellington

 

 

¿Y qué ocurre cuando, en el aire, un cuerpo se mueve más rápido que el sonido?

Al observar a la distancia algunos fenómenos como relámpagos o disparos, primero vemos el destello, que nos llega a la velocidad de la luz (300 000 km/s) y pasado un rato percibimos el sonido que se mueve a cerca de 140 m/s o sea 1 240 km/h.

Cuando un vehículo que circula por la calle se nos acerca, sin importar lo rápido que se mueva, el ruido que produce lo antecede. Así nuestra experiencia en la vida cotidiana nos dice que la mayoría de los cuerpos se mueve a una velocidad inferior a la del sonido.

El sonido está formado por la sondas de presión que comprimen y descomprimen el fluido en el que se produce, el caso más común es el sonido en el aire, así el sonido está formado por las ondas que comprimen el aire, cuando un cuerpo se mueve en el aire no lo comprime completamente porque este se encuentra en un espacio abierto y lo que hace es crear un aumento de la presión que lo desplaza, por eso podemos refrescarnos al mover un abanico o al estar frente a las aspas que giran de un ventilador.

La velocidad del sonido, o sea de las ondas de presión, depende de la densidad y temperatura del aire en que se propaga.

Cuando la velocidad de un avión o un proyectil se acerca a la del sonido, al frente del objeto las ondas de presión se aprietan y comprimen el aire al que no le da tiempo a desplazarse, formando un frente de onda plano donde las condiciones de temperatura, presión, humedad difieren marcadamente del medio en que se mueven, el aire adquiere características de compresibilidad, como cuando está en un recipiente cerrado, lo que afecta a la estructura de la nave por el aumento de la resistencia al movimiento, mientras se condensa la humedad contenida en el aire por la alta compresión.

Por eso a la velocidad del sonido se produce un cambio físico notable en el comportamiento del aire y esto tiene un efecto notable sobre la estructura del avión.

 

 

Al entorno de velocidades en el que se alcanza la velocidad del sonido y a los efectos que tienen lugar respecto a él se les llama transónicos, mientras que a velocidades superiores se les llama supersónicas.

Al valor de la velocidad del sonido se le da el nombre Mach en honor al físico austríaco Ernst Mach uno de los científicos que hizo más aportes en el estudio de estos problemas. Como es un apellido austríaco se pronuncia Maj.

 

 

Todo lo que esté por debajo de Mach1 es subsónico. Cuando el objeto se mueve a una velocidad entre 0,8 y 1,2 veces la velocidad del sonido, o sea alrededor de ese valor se le llama transónico pues puede atravesar esa velocidad y se enfrenta a lo que se llama la barrera del sonido.

La barrera del sonido es una condición física que señala un cambio en las condiciones del medio donde se produce el paso de un objeto que se mueve a la misma velocidad que las ondas de presión, en ella se hace extrema la compresibilidad del aire, la condensación del vapor de agua y una fuerte resistencia a permitir el aumento de la velocidad del objeto. Se crea una onda de choque plana que se mueve a la velocidad del sonido arrastrada por el avión.

 

 

Como el sonido está formado por ondas de presión, al avanzar el cuerpo cada vez más rápido delante de él se forma una barrera de presión, cuando su velocidad es igual a la del sonido se crea una resistencia y una presión tan grande que la humedad del aire se condensa delante de él y le afecta también a su estructura, además de producir un gran calentamiento, si sigue aumentando la velocidad el avión se convierte en supersónico, va más rápido que el sonido y deforma la onda de choque que ya no es plana sino de forma cónica, con el avión al frente a eso se le llama romper la barrera del sonido y a esa onda de choque se le llama cono de Mach, por su descubridor.

La onda de choque una vez creada por un avión supersónico se mueve a la velocidad del sonido aunque el avión que la crea vaya más rápido, por lo que la punta del frente de onda si se desplaza más rápido que el sonido. Como la onda de choque señala una gran diferencia de presión y temperatura antes y después de su paso, crea un efecto de presión-descompresión tan rápido que es capaz de romper los vidrios de las ventanas de los edificios y afectar a los sistemas susceptibles de cambio de presión, algunas personas que estén cerca cuando se rompe la barrera del sonido pueden quedar sordas temporalmente.

A la relación entre la velocidad del cuerpo y la velocidad del sonido se conoce con el nombre de número de Mach. Una velocidad de Mach 2,5 significa que el cuerpo se mueve a una velocidad 2,5 veces mayor a la del sonido. A las velocidades por encima de Mach 5 se les llama hipersónicas.

 

 

La primera vez que un avión rompió la barrera del sonido fue en el año 1947 y se trataba del llamado avión-cohete Bell X-1 pilotado por el estadounidense Chuck Yeager, con lo que se acabó con la creencia popular de que un avión no podría sobrepasar la barrera del sonido sin desintegrarse.

A partir de entonces se desarrollaron aviones supersónicos tanto militares como civiles. Durante mucho tiempo se consideró que los aviones militares aventajaban a los civiles en cuanto a velocidad en 15 años, pero esta diferencia se hizo más grande después de la desactivación a finales del siglo XX y principios del siglo XXI de los aviones supersónicos de pasajeros (Tu-144 y Concorde) que brindaban servicio en aerolíneas regulares desde 1976, por su alto costo de operación y mantenimiento, el ruido sobre áreas urbanas y la alta contaminación. Por su parte los aviones militares siguieron incrementando su velocidad sin que existiera ya una correspondencia en la aviación civil. Otro factor que influyó fueron dos accidentes fatales, aunque únicos, del Concorde y el TU144 respectivamente.

 

 

Noticias más recientes anuncian la próxima aparición de aviones civiles de uso comercial con características hipersónicas.

El aspecto supersónico del movimiento parece ser un caso extremo relacionado solo con la tecnología. Pero, ¿sabía usted que hay objetos de uso cotidiano que tienen una parte que rompe la barrera del sonido sin ser un vehículo ni tener un motor a reacción? Uno de esos objetos lo hemos visto en el circo, en las películas de Indiana Jones y El Zorro.

¿Se imagina cuál podría ser?

Pues sí, es el látigo y la parte de él que rompe la barrera del sonido es la punta cuando se hace chasquear.

 

 

Pero si quiere hacer el experimento para romper la barrera del sonido en su casa y le preocupa que no tiene un látigo a mano tome una toalla por ambas puntas, hágala girar para que se enrolle formando algo como una soga, y sacúdala lanzando una punta y recogiéndola rápidamente, si lo hace con fuerza y rapidez suficiente la punta libre romperá la barrera del sonido y producirá un chasquido, como el látigo, llamado mini estruendo sónico, aunque una toalla sea el último objeto que usted pensaría que puede romper la barrera del sonido.

Cuando la velocidad de un objeto es superior a Mach 5 se le llama hipersónico y hay aviones a los que se les denomina así; además hay un valor notable, Mach 33, que corresponde a una velocidad de la que todos hemos oído hablar alguna vez, ¿sabe cuál es?

De eso y otras cosas hipersónicas les contaré en la próxima entrega de esta serie.