¿Cuáles son las propiedades de una onda de choque sónica?

¿Qué tan denso es el aire en esta onda de choque...?

Los cambios de densidad, presión, temperatura y velocidad a lo largo de un choque están dados por las relaciones de conservación de Rankine-Hugoniot . Si usamos los subíndices$up$y$dn$para aguas arriba (pre-choque) y aguas abajo (choque), respectivamente, para varios parámetros, entonces se puede mostrar:

$$\frac{ \rho_{dn} }{ \rho_{up} } = \frac{ \left( \gamma + 1 \right) M_{up}^{2} }{ \left( \gamma + 1 \right) + \left( \gamma - 1 \right) \left( M_{up}^{2} - 1 \right) } = \frac{ U_{up} }{ U_{dn} }$$ dónde $\rho_{j}$es la densidad de masa en la región $j$, $M_{j}$es el número de Mach en la región $j$, $U_{j}$es la velocidad de flujo de fluido a granel a lo largo del vector unitario normal de choque en la región $j$, y $\gamma$es la relación de calores específicos .

... y qué tan gruesa es la onda de choque?

El grosor de una onda de choque, si estoy interpretando su pregunta correctamente, está determinado por el mecanismo de disipación (por ejemplo, cómo convierte la energía cinética del flujo a granel en calor). En un fluido de colisión neutral como la atmósfera de la Tierra, el mecanismo de disipación son las colisiones de partículas binarias. Por lo tanto, el grosor de la rampa de choque es aproximadamente el camino libre medio , que es aproximadamente una micra en la atmósfera terrestre.

¿Es esto un rango o un número definido? Me doy cuenta de que la onda de choque cambiará a medida que aumente la distancia desde el avión, pero para estar cerca del avión es suficiente.

No estoy seguro de lo que está preguntando, pero si la aeronave vuela a una velocidad constante en relación con el fluido de fondo, la distancia de separación (es decir, la ubicación del choque) no cambiará a menos que cambie el fluido de fondo incidente. La distancia de separación depende de la geometría del choque (por ejemplo, vea mi respuesta en https://physics.stackexchange.com/a/271088/59023 ).

¿Cómo hacer para calcular/investigar estos números?

Buscaría libros sobre dinámica de gases y ondas de choque (hay muchos). Por ejemplo, Frank H. Shu tiene un libro titulado The Physics of Astrophysics Volume II: Gas Dynamics que tiene algunas buenas discusiones. Si está buscando derivaciones de parámetros más matemáticamente rigurosas y fundamentales, entonces querrá buscar el libro Linear and Nonlinear Waves de GB Whitham .

Otras discusiones

• Discusión sobre ondas expansivas: https://physics.stackexchange.com/a/242450/59023
• Pérdida de energía por propagación: https://physics.stackexchange.com/a/271329/59023
• Ejemplo específico de avión supersónico: https://physics.stackexchange.com/a/281767/59023
• Choque de un pistón oscilante: https://physics.stackexchange.com/a/302879/59023