20.3.11

La velocidad del sonido y otras hierbas

Este ha sido un fin de semana de hogar. Leyendo, ordenando, disfrutando el estar con uno mismo... Y justamente entremedio de una lectura, sale a la luz un número que me gustaría compartirlo con ustedes. Un número conocido como "Mach" y que la gente común lo relaciona con aviones o incluso con marcas publicitarias.

El número Mach es una medida de velocidad relativa que se define como el cociente entre la velocidad de un objeto y la velocidad del sonido en el medio en que se mueve el objeto en cuestión. O sea, MACH = V/Vs donde Vs es la velocidad del sonido equivalente a 1224 km/h a nivel del mar a 15°C (ya que esta depende del medio). Alguna vez, Stephen Hawking en su libro "Historia del Tiempo", dijo que él sabía que mientras más ecuaciones pusiera en su libro, menos lectores tendría. En este blog, trato de aplicar ese mismo axioma, sin embargo me parece relevante incluir la ecuación de Mach.

El número tiene ese nombre ya que fue propuesto por el físico austríaco Ernst Mach (1838-1916), y de él se obtienen las clasificaciones Mach 1, Mach 2 y sus distintos múltiplos. O sea, la clasificación "Mach 1" quiere decir que la velocidad es justamente la velocidad del sonido, por lo que aquellos aviones (u otros aparatos) que sobrepasan dicha velocidad, logran romper la barrera del sonido. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la velocidad del sonido no es constante como la velocidad de la luz y cambia dependiendo de las condiciones de la atmósfera (a mayor altura o menor la temperatura, menor es la velocidad del sonido), por lo que basta con saber su número Mach para saber si un avión que vuela a una velocidad dada ha superado la barrera o incluso se transforma en un avión supersonico (si su Mach está entre 1,2 y 5).

¿Pero por qué oímos hablar de la "Barrera del Sonido"? Este término se empezó a utilizar durante la Segunda Guerra Mundial, cuando un cierto número de aviones empezaron a tener problemas de compresibilidad cuando volaban a grandes velocidades. Se pensaba que el aumento de la resistencia seguía un crecimiento exponencial, por lo que un avión no podría superarla aún aumentando de manera sustancial la potencia de los motores (de ahí el nombre de "barrera"). Sin embargo, el término cayó en desuso en los años 50s, cuando los aviones empezaron a romper esa barrera normalmente (de hecho, no sólo aviones militares actualmente lo hacen, ya que aviones comerciales como el desaparecido Concorde lo han hecho, llegando en este caso en particular a Mach 2,03). ¿Pero por qué hablamos de un "rompimiento" de barrera?

Imaginemos un avión volando por el cielo. A medida que avanza, empuja las moléculas del aire y las aparta de su camino (ya que aunque no se vean, el aire está lleno de particulas), creando continuamente ondas de aire comprimido y expandido. Estas ondas constituyen ondas sonoras, que se alejan del avión en todas direcciones (en 3D) a una velocidad de unos 341 m/s (la típica velocidad del sonido en el aire, equivalente a 1224 km/h). Si el avión aumenta su velocidad hasta la velocidad del sonido, entonces las ondas se empiezan a apelotonar en la parte frontal del avión y se comprimen, formando lo que denominamos ondas de choque. Llevandolo a la situación de un barco, éstas serían similares a las ondas que se acumulan en la proa cuando se mueve por el agua. Las ondas de choque se dispersan por detrás del avión y si llegan a nuestro oído golpearán nuestros tímpanos (escucharemos la llamada explosión sónica). De esta forma, todas las ondas sonoras que se habrían propagado normalmente por delante del avión, se han acumulado en su parte frontal, de forma que antes de que llegue el avión no oímos absolutamente nada, y justo cuando pasa, escuchamos una explosión. Es exactamente lo mismo que sucede cuando nos encontramos en la orilla de un lago muy tranquilo y una lancha pasa por delante: no hay alteración en el agua mientras se acerca la embarcación, pero al poco de pasar, una gran ola llega hasta la orilla y nos moja los pies (hacer relaciones de las ondas sonoras con las ondas que vemos en el agua, es muy útil).

¿Quedó claro? Expliquémoslo de otra forma para que quede absolutamente claro, ya que lectores de este blog me han informado que no todo lo que escribo queda realmente entendible. Nuevamente haré el paralelo entre el bote y el avión (ya que según yo, se entiende de mejor manera esto al poder ver las ondas en el agua). Un bote rápido que surca las aguas genera una onda de proa en dos dimensiones (ya que el lago donde se mueve es plano, o sea en 2D). Análogamente, un avión supersónico genera una onda de choque en tres dimensiones (porque el fluido por donde se mueve - el aire - está por todos lados, o sea en 3D). Así como se produce una onda de proa cuando los círculos que se superponen forman una V, se genera una onda de choque cuando las ondas esféricas se superponen y forman un cono (en el caso del avión). Y de igual manera que la onda de proa de un bote rápido se propaga hasta llegar a la orilla del lago (generando olitas inclusive), la onda de choque cónica que genera un avión supersónico se propaga hasta llegar al suelo, generando un estruendo sónico, que se produce debido a que las crestas de las ondas sonoras llegan de golpe y no una por una para percibirlas como un sonido continuo.

Para terminar, no sólo una percepción auditiva tenemos cuando se rompe la barrera del sonido, ya que a su vez podemos tener una percepción visual. A veces se forma una nube justo alrededor del avión, debido a que se produce una caída de la presión como resultado de la onda de choque creada (porque las partículas almacenadas fueron liberadas de la compresión). Esta bajada de la presión implica una disminución de la temperatura, por lo que si el aire es húmedo, entonces el vapor de agua se condensará en pequeñas gotitas (como cuando el vapor caliente entra en contacto con la tapa fría de la olla) y formará la nube.

3 comentarios:

Lasnibat dijo...
Este comentario ha sido eliminado por el autor.
Lasnibat dijo...

Me quedo clarisimo.
O sea, cuando un avion se mete al agua, con un piloto sordo, levanta unas gotitas que lo dejan escuchar mejor y ver en 3D sin anteojos. O en otras palabras: V/Vo donde Vo es la velocidad del oido equivalente a 1224 nubes al nivel del lago a 10°C y 12 olitas.
Ahora soy un balazo para las ondas de choque.
Vean esto : http://www.youtube.com/watch?v=R1HyrowolnE

@lasnibat dijo...

Gran aporte tocayo. Ese video explica en gran medida mis palabras.

Saludos,
T.