Razonamiento físico detrás de escuchar una sola descarga

Cuando un objeto vuela en el aire a un número de mach ( METRO ) mayor que 1, se produce continuamente una onda de choque y el cono de la máquina forma un ángulo particular, θ METRO , con el suelo (o normal). Un observador en tierra escuchará una onda de choque cuando su ángulo relativo con el objeto volador alcance θ METRO . Pero, ¿por qué el observador no escucha ondas de choque continuas, que son producidas continuamente por el objeto volador? Si el observador está ahora dentro del cono de mach, ¿no son las ondas de choque que se propagan esféricamente simétricas y el observador aún no escucharía un choque? ¿Un observador, incluso directamente detrás del objeto volador, no escucharía la onda de choque usando esta misma lógica?

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Físicamente, ¿las moléculas de gas están todas agrupadas/comprimidas exactamente en el ángulo mach por alguna razón? Basado en la derivación de θ METRO = arcsen ⁡ ( 1 / METRO ) , parece que este es el ángulo del objeto volador en relación con cuando se escucha un sonido por primera vez , pero ¿no debería un observador continuar escuchando un sonido? En la imagen, las líneas continuas negras parecen indicar ondas distintas que deberían poder ser escuchadas por cualquier observador de movimiento subsónico o supersónico. Pensé que cualquiera que intersectara las líneas negras escucharía el sonido asociado a las ondas regulares ( METRO < 1 ) o una discontinuidad de choque ( METRO > 1 ). ¿Pero es eso cierto?

Tal vez estoy malinterpretando dónde existe el frente de choque en sí mismo y esta es una premisa crucial para lo anterior. ¿No se genera continuamente un nuevo frente de choque en cada momento y lugar? ¿Y cada uno de estos nuevos frentes de choque no se expande continuamente esféricamente? A menos que me equivoque, esto es lo que muestran las imágenes y uno debe escuchar múltiples descargas (lo cual es contrario a la experiencia).

También puede encontrar esta pregunta interesante physics.stackexchange.com/q/421813/59023 .

Respuestas (2)

Piensa en lo que es el sonido. El sonido son variaciones en la presión a lo largo del tiempo.

Olvídate de las ondas de choque y piensa en el siguiente problema. Está sentado en una habitación cerrada, hermética, con paredes que absorben el sonido y con presión pag 1 . De repente e instantáneamente, la presión en la habitación aumenta a pag 2 y se mantiene en esa presión. ¿Qué escucharías? ¿Un ruido continuo, o un solo 'bang' o 'puff' durante el aumento de presión real? La respuesta es la última. De hecho, es posible realizar este mismo experimento .

Ahora volvamos a los aviones supersónicos. Simplifiquemos la física en gran medida y supongamos que no hay nada más que usted y un avión de partículas puntuales (sin suelo, edificios, etc.), con usted inmóvil en relación con el aire y el avión moviéndose por el aire a velocidad supersónica. velocidad. Un frente de onda de choque comprime el aire a su paso. A todos los efectos prácticos, se trata de un aumento instantáneo : se necesita del orden de un nanosegundo para que experimente el aumento de presión, por lo que es esencialmente instantáneo (y es por eso que son tan fuertes, es un cambio muy grande en la presión sobre muy poco tiempo). Pero después de que la onda de choque ha pasado, ya no hay ningún repentinocambio en la presión: solo verá una caída gradual en la presión a medida que las condiciones vuelven a la normalidad. Por lo tanto, no percibe ningún sonido adicional.

Tomando su pregunta de manera más literal y pensando en el caso más realista, escucha un ruido continuo, porque incluso después de que pasa la onda de choque, todavía escucha los reflejos de choque en el suelo, edificios, etc., además del motor de desplazamiento doppler. ruido. Pero sospecho que eso no es lo que estás preguntando.

EDITAR: En cuanto a la pregunta de por qué el choque aparece como un cono y no como una serie de esferas. Las ondas de choque tienen la característica de que el fluido aguas abajo del choque (el fluido 'chocado') tiene propiedades diferentes a las del fluido aguas arriba (fluido 'no golpeado'). En particular, el aire impactado en realidad se mueve hacia adelante con cierta velocidad y tiene una mayor velocidad de sonido. Por lo tanto, si tiene dos frentes de choque planares simples, el frente de choque que está detrás tiende a 'alcanzar' al choque de adelante, formando un solo choque. Esta es la razón básica por la que no hay una serie de choques esféricos, sino una serie de choques cónicos combinados.

Debido a esto, se involucra un poco de matemática para calcular la forma correcta de cada onda de choque. Además, cuando un cuerpo se mueve supersónicamente a través de un fluido, se generan choques cada vez que hay un cambio en la forma de la sección transversal. Los dos choques más pronunciados, a menudo, son un choque de compresión en la parte frontal del objeto y un choque de rarefacción al final. Estos dos choques interactúan entre sí de manera no trivial. Por ejemplo, debido a que el choque de rarefacción ocurre en un régimen de aire ya chocado con una velocidad de sonido más alta, el ángulo es más agudo .

Entrar en más detalles requeriría analizar la física a un nivel más profundo. Este libro es el clásico texto de referencia sobre el tema, no es demasiado matemático y es fácil de leer.

Estoy de acuerdo, el sonido es una variación de presión en el tiempo, pero este no es un proceso único, es continuo mientras METRO > 1 . En ( t = 0 , X = 0 , y = H ) , la presión va de pag 1 a pag 2 , y se escuchará un sonido. En un momento posterior, cuando el objeto supersónico está en ( t = t ′ , X = METRO C s t ′ , y = H ) , la presión también pasará de pag 1 a pag 2 localmente aquí. Por lo tanto, hay dos lugares distintos en el espacio donde la presión varía abruptamente. Por lo tanto, no deberían producirse ondas de sonido separadas asociadas a los choques separados en ambos t = 0 y t = t ′ , que eventualmente se propagan de forma independiente a un observador?
Solo puede escuchar las variaciones de presión locales. Es cierto que el objeto genera un choque continuo, pero este frente de choque se mueve por el suelo a una velocidad supersónica. En el escenario ideal (sin suelo), cada observador estacionario solo experimenta un solo salto de presión. Sin embargo, en el escenario realista, sí, escucha un ruido continuo más complicado a medida que el impacto se refleja en el suelo y los edificios.
Tal vez estoy malinterpretando dónde existe el frente de choque en sí. ¿No se genera continuamente un nuevo frente de choque en cada momento y lugar? ¿Y cada uno de estos nuevos frentes de choque no se expande continuamente esféricamente? A menos que me equivoque, esto es lo que muestran las imágenes.
Esa es una muy buena pregunta y merece su propia respuesta; Definitivamente no es adecuado para comentarios. Si edita su pregunta para que quede más claro que eso es lo que está preguntando, seguiré adelante y editaré mi respuesta.
He editado la pregunta en consecuencia. Disculpas por no hacer eso explícito, ya que era una suposición necesaria al formular la pregunta anterior (que pensé que representaba la imagen), pero tal vez esa suposición sea incorrecta. Quizás el choque no sea esférico, sino simplemente un cono con ángulo constante que continúa moviéndose con el objeto supersónico (aunque esto también parece incorrecto). Si ese es realmente el caso, no entiendo muy bien qué muestran las ondas circulares en la imagen para el caso supersónico.
Mira mi edición.
Eso ayuda mucho. "En particular, el aire impactado en realidad se mueve hacia adelante con cierta velocidad y tiene una velocidad de sonido más alta". ¿No avanza el aire impactado a la misma velocidad que el objeto supersónico? Pero dado que la presión aumenta y la velocidad del sonido local se reduce, el choque también es subsónico, ¿correcto?
El aire impactado en realidad no avanza a la misma velocidad que el objeto. La velocidad es mucho menor, y se hace más pequeña cuanto más lejos estés de la nave. Un sistema simplificado es una onda de choque normal plana, que puede analizar utilizando las ecuaciones para la conservación de la masa, el impulso y la energía; este sitio es una lectura informativa.
En el enlace, ¿cuál es la diferencia entre temperatura estática y temperatura total? Además, ¿por qué una discontinuidad en el choque significa necesariamente aumentos de entropía (es decir, cambios irreversibles en la energía) como se menciona en el enlace?
this y this responden a esas preguntas bastante bien.
¡Gracias! Solo para aclarar allí, ¿la temperatura de estancamiento y la temperatura total no son esencialmente equivalentes? La temperatura medida por una sonda en reposo (en relación con nosotros) mediría tanto la temperatura estática como el componente dinámico (asociado con la energía cinética).

En el régimen supersónico, la onda de choque se propaga con forma de cono. Si un avión supersónico vuela cerca del suelo, escuchará el estampido sónico seguido del ruido del fuselaje y del motor con desplazamiento Doppler. Debido a que el frente de choque es mucho más enérgico que el ruido del motor que se irradia hacia atrás desde el avión a medida que se mueve, el boom es lo único que escuchará si el avión pasa por encima a gran altura.

Es común que un avión supersónico lleve consigo más de una descarga. Obtendrá un choque en la punta de la nariz y otro en el borde de ataque del ala y posiblemente otro en las superficies de la cola. esto generará un ruido de auge complejo con más de un componente principal.

¿Podría dar más detalles sobre la "onda de choque que se propaga con la forma de un cono"? Por ejemplo, en esta derivación alrededor de las 3:00 , se deriva el ángulo del cono con respecto al objeto supersónico, pero solo se basa en la onda de sonido que se propaga a 90 grados (lo que crea el triángulo rectángulo que se muestra) desde la fuente. Pero, ¿por qué es necesariamente 90 grados?
Definir el cono por este triángulo rectángulo de 90 grados parece indicar lo más rápido que se puede escuchar un sonido (es decir, el camino más corto hacia un observador es de 90 grados). Pero, ¿el sonido de la fuente no puede propagarse en ninguna dirección (es decir, no estrictamente en 90 grados) y, por lo tanto, puede escucharse incluso dentro del cono?
@ Mathews24 Sí, el "sonido" se escucha en todas partes dentro del cono, pero la onda de choque (discontinuidad) está solo en el borde del cono.
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