La barrera del sonido
Hoy hablaremos, estimados lectores, de otro curioso efecto físico que cumple todas las condiciones CPI. Es (a mi parecer) muy curioso, queda uno estupendamente soltándolo en un bar delante de las chicas (finalidad principal del 70% de los varones que visitan esta página, según confesión propia) y es inútil a efectos prácticos, salvo que se muevan ustedes a la velocidad del sonido.
El efecto tiene un nombre bastante peculiar, y se produce cuando un cuerpo alcanza la velocidad del sonido. Hablamos del efecto Prandtl-Glauert. ¿Que no lo habían oido nombrar, estimados lectores? Para ser sinceros, yo tampoco lo había oido nombrar. Hasta que lo oí, claro está. Igualico que ustedes ahora.
Recuerden que el efecto Prandtl-Glauert no lo provoca la sobrepresión de la onda de choque, sino la bajada de presión que va justo detrás. Como sabrán todos los lectores que hayan tenido la suerte o desgracia de estudiarla, la dinámica de fluidos (¡hola, Julián!) es realmente difícil, y no se conocen soluciones exactas de las ecuaciones mas que cuando se hacen una serie de suposiciones para simplificar las condiciones de contorno. Dicho esto, empecemos nuestro viaje.
Cuando un cuerpo se va acercando a la velocidad del sonido, comienzan a suceder cosas extrañas. Para empezar, el aire que el cuerpo va apartando cuando se mueve, cada vez puede apartarse menos, porque el aire se aparta a la velocidad del sonido. Esto provoca que en el morro del avión (supongamos que es un avión) haya un aumento de presión considerable. Veámoslo con algunas ilustraciones:
Aquí se muestra un objeto estacionario emitiendo ondas de sonido. Como puede apreciarse, las ondas se propagan radialmente. Nada espectacular hasta el momento.
En esta segunda imagen, nuestra fuente emisora de ondas de sonido está ya en movimiento. Puede apreciarse claramente cómo por delante del objeto las ondas de sonido están más comprimidas (tienen mayor frecuencia o, lo que es lo mismo, menor longitud de onda) que por detrás. Ésta es la explicación del efecto Doppler.
Cuando la velocidad del objeto se iguala a la del sonido, observamos cómo en el morro del objeto se forma un frente de muchas ondas “apelotonadas”. Como el sonido no es más que una onda de presión, tenemos una zona de presión muy alta en el morro. Esa onda, que está estacionaria en el morro del objeto, hace que sea difícil aumentar la velocidad. Por eso se llama la “barrera del sonido”:
Y, por último, nuestro objeto es supersónico. En esta imagen se muestra el objeto movíendose a Mach 1,4 (la velocidad del sonido se denomina Mach 1. Si fuéramos a la mitad de la velocidad del sonido iríamos a Mach 0,5). Obsérvese el cono de Mach que deja tras de sí nuestro objeto. Ese cono está formado por una onda de alta presión. Cuando se trata de un objeto en el aire, como el sonido no es más que una variación de la presión del aire, el cono es en realidad un sonido muy intenso (el sonic boom, que le llaman en inglés, o el estallido sónico). Como nuestro objeto del ejemplo es un punto, sólo hay un estallido. Pero si fuera un objeto extenso (un avión, por ejemplo), habría dos o más conos, como mínimo el del morro y el de la cola. Esto puede apreciarse en la siguiente imagen de un coche a reacción, superando la velocidad del sonido en uno de los lagos secos de Utah:
En la anterior imagen es posible “ver” las ondas de presión porque el índice de refracción del aire depende de la presión. Cuando hay variaciones muy bruscas de la presión del aire, habrá variaciones bruscas del índice de refracción, y la luz que viene desde detrás del objeto se refractará mucho, por lo que podremos ver esos “pliegues en el aire” (poesía y todo en CPI, oiga).
Atención: Batallita del abuelo cebolleta al canto.
Cuando yo estaba haciendo la mili en las antillas holandesas (algún día contaré la historia, algún día), hubo unas maniobras cerca de Aruba en las que íbamos a simular un ataque aéreo sobre nuestra flota. Yo iba embarcado en una fragata de la clase F-80, que, aunque tiene como principal misión la guerra antisubmarina, está bien equipada para guerra aérea (buen radar, misiles superficie-aire de penúltima generación…). Los F-16 holandeses del destacamento de marines de Aruba nos iban a sobrevolar varias veces, y teníamos que detectarlos y fijar el blanco para lanzarles un misil (simulado) antes de que se acercaran a determinada distancia. El último ejercicio, nos comunicó el buque holandés que dirigía la maniobra, sería un regalito: los F-16 harían una pasada supersónica sobre la flota. Yo, que estaba de oficial de guardia en el puente, empecé a decir que iba a ser cojonudo, que oiríamos dos ruidos enormes y muy seguidos, empecé a hablar sobre el efecto Doppler y el cono de Mach, y quedé muy sorprendido al saber que nadie había oído hablar de todo eso antes. Así que allí, en mitad del puente, hubo una clase de pizarra sobre esto que les estoy contando. Les parecerá muy friki, estimados lectores, pero lo cierto es que los marineros y suboficiales lo disfrutaban. En serio. Y llegaron los aviones, y se oyó el doble estampido sónico, claramente, nítidamente, intensamente. La física había vuelto a funcionar, y yo gané muchos enteros geeks ante la dotación de puente. Qué tiempos aquellos.
En el siguiente vídeo se aprecia claramente el doble estampido sónico, provocado aquí por un Concorde sobrevolando el mar:
Fin de las batallitas del abuelo Cebolleta. Y ahora, empieza el chou.
Cuando la humedad del aire es suficiente, las variaciones extremas de presión producidas cuando un objeto alcanza la velocidad del sonido pueden producir la condensación del vapor de agua presente en el aire. El efecto es espectacular:
En el vídeo podemos ver un F-14 rompiendo la barrera del sonido a nivel del mar. Qué quieren que les diga, a mí me sigue impresionando.
Hay muchas imágenes de aviones en pleno efecto Prandtl-Glauert. Aquí les muestro algunas, ciertamente impresionantes (clic para ampliar):
Clásica foto del F-18 sobre Corea. Nótese el doble efecto en carlinga y alas.
Cohete Saturno V, que llevaba al Apolo XI (el que alunizó por vez primera). Se nota la nube a media altura del cohete, con simetría cilíndrica.
Imagen sacada de aquí (vía digg).
En este vídeo, [Real Video, streaming] puede apreciarse el efecto entre los segundos 50 y 56. Se trata de la primera misión del Atlantis Discovery tras el desastre de la Endeavour.
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