¿Qué sucede cuando un avión rompe la barrera del sonido?

La expresión "barrera del sonido" se creó hace unos 70 años cuando, al acercarse a la velocidad del sonido, los aviones reaccionaron de forma imprevista. En realidad, no existe una barrera fija y, en realidad, la transición puede ser bastante suave, siempre que la aeronave y su piloto estén preparados para ello .

La velocidad del sonido es la velocidad máxima con la que los pequeños cambios de presión se propagarán a través de un medio, por lo que a una velocidad subsónica el aire delante de la aeronave puede reaccionar ante la aeronave que se aproxima. Además, mientras que la densidad del aire local cambia muy poco a velocidad subsónica, los cambios de densidad del aire se vuelven dominantes a velocidad supersónica. Para dar paso a un avión que se aproxima, el aire subsónico se acelerará mientras que el aire supersónico se ralentizará de modo que la densidad aumente para dar paso al avión supersónico.

A velocidad subsónica, la presión y la velocidad cambiarán suavemente mientras el aire fluye alrededor de la aeronave. Como consecuencia, el centro de cambios de presión local (su fuerza de sustentación) actúa alrededor de un cuarto de cuerda, de modo que la aeronave está equilibrada cuando su centro de gravedad está en el mismo lugar.

A velocidades supersónicas, el aire será tomado por sorpresa: en un momento todo estaba tranquilo y silencioso, y de repente las moléculas de aire son pateadas por un intruso desconocido. La presión cambia repentinamente, a través de un choque, por lo que en lugar de una transición suave, a velocidad supersónica hay regiones de presión similar, separadas por caídas o saltos repentinos. Como consecuencia, el centro de cambios de presión se desplaza hacia atrás al 50% de la cuerda. Si el centro de gravedad permanece en un cuarto de cuerda, la consecuencia es un fuerte momento de cabeceo hacia abajo: la aeronave caerá en picada.

Para empeorar las cosas, una desviación de la superficie de control, que podría redistribuir la sustentación entre la superficie del ala y la cola, no necesariamente funcionará de la misma manera que lo haría a una velocidad subsónica: la aeronave podría volverse incontrolable. Consulte esta respuesta para obtener una explicación detallada del modo.

El cono que ves en la imagen de la derecha es un cono de Mach, que sería causado por un avión supersónico. La imagen fue copiada descaradamente de este blog .

El truco ahora es dar al aire una advertencia previa cuando sea necesario, incluso cuando el avión viaje a una velocidad supersónica. Esto se puede lograr con el barrido del ala, porque si el ángulo de barrido es mayor que el ángulo del cono en el que los cambios de presión se propagarán a una velocidad de vuelo supersónica, el aire que fluye sobre el ala será advertido y reaccionará de manera similar al flujo subsónico. Para corregir el inevitable cambio en el centro de presión, las superficies de la cola son más grandes y de vuelo completo en los aviones supersónicos, por lo que funcionan en flujo trans y supersónico. Además, al bombear combustible, el centro de gravedad se puede desplazar hacia atrás, por lo que se necesitan menos cambios de compensación.

La barrera del sonido se puede romper a cualquier altitud, si el avión tiene un motor lo suficientemente potente y es lo suficientemente rígido. Normalmente, para ahorrar peso, los diseñadores establecen un límite para la presión dinámica máxima (= densidad del aire multiplicada por la velocidad del aire al cuadrado, dividida por dos), por lo que la deformación estructural a esta presión dinámica máxima es lo suficientemente pequeña. Tenga en cuenta que la desviación de sus alerones deformará el ala del Eurofighter a la máxima presión dinámica hasta el punto de que se perderán tres cuartas partes de la eficacia del alerón: los alerones provocan un momento de torsión que deforma el ala de tal manera que funciona como el mecanismo de deformación del ala en el Wright Flyer, solo en dirección opuesta a la entrada del alerón.

Dado que la densidad disminuye con el aumento de la altitud, se alcanza la misma presión dinámica a mayor velocidad, lo que permite que los aviones vuelen más rápido cuanto más alto vuelen. El siguiente límite viene dado por el calor local cerca de la línea de estancamiento. Si se desacelera el aire, su temperatura aumentará con el cuadrado de la diferencia de velocidad . La velocidad continua máxima del F-22 se redujo de Mach 1,8 a Mach 1,6 para evitar el sobrecalentamiento de la estructura sensible del ala compuesta.

Esta es una pregunta bastante amplia, así que trataré de ser breve. Da la casualidad de que Scientific American cubrió su pregunta en detalle en un artículo del 11 de marzo de 2002 . Aunque creo que la página de Wikipedia hace un mejor trabajo al describirlo que el artículo de SciAm, pero es más una historia. Sin embargo, Union University llega al meollo del asunto . Algunas de las cosas clave que suceden son:

Un avión produce un sonido que se irradia desde el avión en todas las direcciones. Las ondas que se propagan frente al avión se juntan por el movimiento del avión. A medida que el avión se acerca a la velocidad del sonido, las "ondas" de presión del sonido se acumulan unas sobre otras comprimiendo el aire. El aire frente al avión ejerce una fuerza sobre el avión impidiendo su movimiento. A medida que el avión se acerca a la velocidad del sonido, se acerca a esta barrera de presión invisible creada por las ondas de sonido justo delante del avión. El aire comprimido frente al avión ejerce una fuerza mucho mayor de lo habitual sobre el avión. Hay un aumento notable en la resistencia aerodinámica del avión en este punto, de ahí la noción de romper la "barrera del sonido". Cuando un avión supera la velocidad del sonido se dice que es supersónico.

Cualquier cosa que exceda la velocidad del sonido crea un "boom sónico", no solo los aviones. Un avión, una bala o la punta de un látigo pueden crear este efecto; todos producen un crack. Este cambio de presión creado por el estampido sónico puede ser bastante dañino. En el caso de los aviones, se sabe que las ondas de choque rompen las ventanas de los edificios.

Lo más aparente que sucede es el estampido sónico .

Muchas de las imágenes que ves en Internet de aviones que rompen la barrera del sonido son en realidad solo ondas de choque (condensación) que ocurren antes de alcanzar la velocidad del sonido. La propagación de ondas de choque comienza antes de volverse supersónica debido a las capas límite y al aire que tiene que apartarse del camino de la aeronave (según tengo entendido). ¡Pero las imágenes se ven realmente geniales!

Aquí hay un buen libro de física con una discusión sobre las ondas de choque: http://physics.info/shock/

Y, de hecho, los aviones son perfectamente capaces de romper la barrera del sonido cerca del suelo. Es simplemente más difícil, como dice Ratchet Freak en su comentario, y también hay muchas reglas en contra.

¿Por qué no puede romper la barrera del sonido cerca del suelo?

Las respuestas anteriores realmente no han respondido esto.

Hay un límite físico. Cuando la onda de choque sónica golpea el suelo, se refleja de nuevo. Si el avión vuela demasiado bajo, el amortiguador de morro rebotará e impactará la cola del avión, lo que hará que pierda el control direccional y se estrelle.

Las variantes de bajo nivel del avión de combate multiusos supersónico Panavia Tornado se hicieron más cortas de lo que sería óptimo, por lo que podría volar más bajo sin encontrarse con su propia onda de choque. Esto estropeó su aerodinámica y redujo su velocidad máxima. La variante ADV de mayor altitud tenía un fuselaje más largo y podía volar más rápido.

La respuesta más básica y simple es

El aire se espesa en la superficie. Un cuerpo se mueve hacia adelante empujando el aire lejos de su camino. Ya sea un coche o una bicicleta. Cuanto más bajo opera el automóvil, más aire necesita dispersarse para propagarse hacia adelante.

Para avanzar, se necesita gastar una cierta cantidad de energía en el suelo para empujarse hacia adelante o a través de motores a reacción para aspirar todo el aire que tiene delante y empujarlo hacia atrás del vehículo con fuerza.

Si un avión necesita romper la barrera del sonido a bajas altitudes, debe dispensar 3 o 4 veces más aire (gases pesados) ya que el volumen de aire a bajas altitudes es alto. Podría estar más allá de la capacidad del motor. Sin embargo, en altitudes elevadas, donde el aire es más delgado y liviano, se puede lograr fácilmente. Por ejemplo: Atragantarse con un submarino de un pie de largo es más difícil, sin embargo, puede seguir comiendo papas fritas o papas fritas de un pie de largo todo el día.

Nadar en agua salada pesada es difícil, sin embargo, es un poco fácil en agua de mar y mucho más fácil en un lago. La composición salina dificulta el movimiento.

El motor no podrá comprimir un gran volumen de aire a niveles de altitud más bajos. Se puede hacer, pero caro. Se necesitan motores mucho más grandes, que hagan menos compresión y muevan más aire, consumiendo más gasolina. Pero tal usabilidad de motor/avión es menor.

Otro factor importante es la temperatura y su efecto sobre los materiales de la aeronave. Si se mueve a velocidades supersónicas, los materiales deben ser capaces de soportar la presión ejercida sobre todo el plano. Además, están expuestos a temperaturas extremas, lo que hace que los metales se expandan y contraigan a sus niveles máximos. Para garantizar que dicho avión sobreviva a las duras condiciones, los materiales deben ser extremadamente flexibles y proporcionar suficiente rigidez para mantener unido todo el avión. Lea en alguna parte que el Mighty concorde se expandió más de 3 pies a niveles supersónicos y se contrajo en la misma longitud a velocidades más bajas. los metales no proporcionan niveles de elasticidad tan extremos. A menos que estén diseñados para hacerlo.