Rompiendo la barrera del sonido bajo el agua

La razón por la que la velocidad del sonido es una cantidad bien definida es que, para pequeñas perturbaciones , las ecuaciones que gobiernan la dinámica de fluidos pueden linealizarse . En esa forma linealizada, la solución se reduce a un ansatz de onda simple con una relación de dispersión lineal, es decir, velocidad constante .
Esas son las ondas sonoras.

Sucede que en el aire, esta solución lineal se mantiene bastante bien incluso para pertubaciones bastante grandes . Solo que, cuando algo se mueve más rápido que la velocidad del sonido, el modo de onda lineal obviamente ya no se puede usar para transportar energía, por lo tanto, cualquier perturbación (que es inevitable cuando algo está tratando de moverse por el aire) queda "atrapada". La pertubación se vuelve cada vez más fuerte, hasta que la dinámica es completamente no lineal y se obtiene una onda de choque .
Esta es la razón por la que la barrera del sonido es un límite tan crucial para los aviones.

En fluidos incompresibles como el agua, esto no necesariamente funciona de la misma manera. En el agua, la dinámica tiende a ser mucho más violenta, incluso muy por debajo de la velocidad del sonido. En particular, terminará fácilmente con burbujas de cavitación . Como ya dijo Acid Jazz , esto permite un modo bastante notable de movimiento bajo el agua, que es completamente diferente a todo lo que se obtiene en el aire.

tl; dr , la barrera del sonido no es realmente relevante bajo el agua, porque aparecen efectos extraños antes de que te acerques a ella.

Sin embargo, aún sería relevante si pudiera mantener las perturbaciones de presión lo suficientemente pequeñas, incluso cerca de la velocidad del sonido. En realidad, esto es relevante para cualquier movimiento supersónico bajo el agua, si lo miras en una escala lo suficientemente grande. Por ejemplo, el impacto de un asteroide en el océano sin duda causa un cono sónico bastante análogo al generado por un avión supersónico.

La velocidad del sonido en el agua a 20 grados centígrados es de 1482 m/s (2881 nudos), solo como comparación con las velocidades alcanzables actuales.

Pequeño hecho relacionado: el camarón pistola puede crear burbujas de cavitación sonoluminiscentes que alcanzan hasta 5000 K (4700 °C) que son tan fuertes como 218 decibelios, rompiendo la barrera del sonido en el agua. dice Wikipedia

Video de YouTube de Pistol Shrimp en acción

El agua, digamos a la temperatura del océano, es prácticamente incompresible, por lo que es una tarea difícil. El objeto en movimiento se movería a través de una nube de vapor, esencialmente, en lugar de tocar el agua directamente.

Al diseñar el perfil y la forma del objeto, debe considerar el método más eficiente para convertir el agua líquida en vapor.

Si pudieras hacerlo (comparable a moverte a través de un bloque de madera maciza de roble, o algo aún más denso), el agua se convertiría en vapor, causado por la ebullición, en el borde delantero del objeto en movimiento. A medida que la burbuja de vapor se expande, el objeto comienza a moverse a través del vacío creado por el vapor en expansión.

Luego, el objeto en movimiento está rodeado por la burbuja de vapor creada en su borde de ataque, ya que se mueve a través de la burbuja en expansión más rápido de lo que el agua circundante puede enfriar el vapor y devolverlo a un estado líquido. Eso permite que el objeto en movimiento viaje, en efecto, a través de vapor, en lugar de agua líquida.

Vea el comentario de Carl a continuación sobre posibles problemas para lograr este efecto.

De Wikipedia: Supercavitación

Quedan varios desafíos para el torpedo supercavitante, incluida la forma en que se dirigirá bajo el agua. Las pruebas en túneles de agua ya han demostrado que se puede alcanzar la velocidad: en 1997, la Marina probó un proyectil supercavitante (ilustración de arriba) que alcanzó los 5082 pies por segundo, convirtiéndose en el primer proyectil submarino en superar Mach 1.

Mach 1 Torpedo

Por extraño que parezca, la supercavitación puede ayudar a aumentar la velocidad máxima. De acuerdo con el PopSci no necesariamente correcto, la Marina ha alcanzado Mach 1:

torpedo supercavitante . Un enlace en wikipedia afirma que los alemanes han alcanzado los 800 km/h.

Aparte del Shkval soviético, no puedo encontrar ninguna actualización sobre tales torpedos, por lo que los programas de la Armada se han vuelto negros o se han rendido.