domingo, 1 de febrero de 2009

La barrera del sonido


La barrera del sonido no existe, pero a principio del siglo XX se creía que era un límite físico que impediría que objetos de gran tamaño se desplazaran a velocidad supersónica. El término se empezó a utilizar durante la Segunda Guerra Mundial, cuando un cierto número de aviones empezaron a tener problemas al volar a grandes velocidades. El uso de aviones que volaban a velocidades supersónicas, en la década de los 50 del siglo XX, y lo hacían habitualmente, demostró lo equivocado de esa previsión.

Aunque no supone un impedimento para el vuelo, las velocidades de los aviones mayores que la del sonido provocan un efecto conocido como onda de choque, acompañado de un gran ruido (Similar a una explosión), que es percibido por las personas que se encuentran cerca del avión, y que es lo que vulgarmente se entiende por el efecto de que un avión rompa la barrera del sonido.

Cuando la velocidad de una fuente ondulatoria (El avión) es igual a la de las ondas que produce (El ruido que genera), estas ondas se comienzan a amontonar delante de ella (Situación b del siguiente gráfico). En estas circunstancia las crestas de las ondas sonoras amontonadas se suman y perturban el flujo del aire sobre las alas del avión, dificultando el control de la aeronave. Cuando un avión se acerca a la velocidad del sonido, la forma en que el aire fluye alrededor de su superficie cambia y se convierte en un fluido más compresible, dando lugar a una resistencia mayor.


V es la velocidad del avión y VW la velocidad del sonido.


Un avión a velocidad supersónica vuela fuera del alcance de estas perturbaciones, ya que ninguna onda sonora se está propagando por delante de él.

Este efecto se puede observar de forma similar en los barcos. Las ondas generadas por el barco en el agua se desplazan hacia las orillas y hacia atrás dentro de un frente de ondas en forma de V, similar al caso c del gráfico anterior, conocido como onda de proa.


En realidad se producen dos ondas de choque tal como se muestra en esta fotografía de una bala supersónica al atravesar una lámina de plexiglás (La luz que se desvía al pasar por el aire comprimido hace visible la onda). Una onda de choque se encuentra en la parte delantera de la bala y la otra en su parte posterior.



La onda de choque está formada en realidad por dos conos, uno de alta presión, con su vértice en la proa del avión y un cono de baja presión, con el vértice en la cola.

Un avión supersónico genera una onda de choque tridimensional en forma de cono (Englobando un serie de frentes de onda esféricos) que se propaga hasta llegar al suelo. Cuando esta onda de choque (Zona de aire a gran presión) alcanza a una persona en tierra. ésta oye un crujido agudo conocido como estampido sónico (Rotura de la barrera del sonido). Ese ruido intenso se produce por la variación brusca de presión del aire pasando primero de presión normal a alta presión, después, a la inversa, a presión más baja que la atmosférica y, por fin, de vuelta a la presión normal atmosférica.



En el gráfico anterior se puede ver que el observador "B" está oyendo el estampido sónico, el observador "C" ya no lo oye y el observador "A" lo oirá dentro de poco.

Cuando los aviones son más lentos que el sonido no existe estampido sónico, porque las ondas sonoras se perciben como un tono continuo. Sólo cuando el avión se mueve con más rapidez que el sonido se suman las ondas sonoras y llegan hasta los oidos de la persona cercana en un único paquete. El aumento repentino de presión tiene el mismo efecto que la expansión súbita que produce una explosión.

Una idea errónea común es que los estampidos sónicos se producen cuando un avión atraviesa la "barrera del sonido", esto es, sólo cuando la velocidad del avión pasa de menor a mayor que la del sonido. Eso no es cierto. El hecho es que una onda de choque, y el estampido sónico que produce, barren en forma continua hacia atrás y por debajo de un avión que viaje más rápido que el sonido, así como una onda de proa barre continuamente atrás de una lancha rápida. Puede ser que el avión que genera esa onda de choque ¡haya atravesado la barrera del sonido muchas horas antes!



No es necesario que la fuente en movimiento sea "ruidosa'" para producir una onda de choque. Siempre que un objeto se mueva con más rapidez que la del sonido, producirá ruido. Una bala supersónica que pase sobre nosotros produce un crujido, un estampido sónico pequeño. Si la bala fuera mayor y perturbara más aire en su trayectoria, el crujido se parecería más a un estampido. Cuando un domador restalla su látigo en el circo, el crujido que se oye es en realidad un estampido sónico que produce el extremo del látigo al moverse con más rapidez que la del sonido. Tanto la bala como el látigo no vibran, por lo que no son fuentes de sonido. Pero cuando se mueven con velocidades supersónicas, producen su propio sonido al generar ondas de choque.


Este avión F-18 acaba de atravesar la barrera el sonido. La nube que se observa está formada por vapor de agua condensado en forma de pequeñas gotas en el aire en rápida expansión, en la zona enrarecida detras de la onda de choque de aire comprimido.

El texto y los grabados son del libro "Física conceptual", Paul G. Hewitt, Pearson Educación, México 2004



1 comentario:

tecnoloxia.org dijo...

El libro "física conceptual" lo tengo hace años, y me parece muy bueno, aunque la traducción del inglés se podría mejorar. Se lo recomiendo a toda persona que quiera saber física sin fórmulas.