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José María Rebés

Divulgación: La difícil barrera del sonido

 Fecha y hora de inicio
 
16/01/2015 17:24:05
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Todo sistema de mediciones necesita de un referencial, sin el cual no es posible concretar cuánto vale una determinada variable. Estamos muy habituados a todo tipo de referenciales, tanto que a veces olvidamos que existen ... pero ahí están. Veamos algunos ejemplos:

Vamos como pasajeros en el interior de un autobús por una autopista, a una velocidad continuada, sin aceleraciones ni deceleraciones. En el interior del vehículo una mosca revolotea por entre los pasajeros. Uno de ellos intenta darle caza y para ello se incorpora y camina pasillo adelante, mientras otros jalean su aventurada caza. Al final se da por rendido y vuelve a su asiento, justo a tiempo de que un amigo le lance desde el asiento posterior un papel liado en forma de pelota, como hacíamos de niños en clase, a ver si eso sí podía cazarlo.

La mosca volaba a más de 100 km/h, el pasajero que se levantó a por ella también cuando caminaba hacia delante, algo menos cuando volvía a su asiento. La bola de papel voló a más de 100 km/h. El autobús, queda claro, circulaba a 100 km/h. Todo eso está basado en el sistema referencial de la autopista, no en el del autobús. En el sistema referencial del autobús la mosca va a 1 metro por segundo (por poner alguna cifra) vuele en el sentido que vuele, el pasajero que camina a 1 km/h, vaya o vuelva, y el papel algo más rápido que la mosca si quien lo lanza tiene destreza. Pero bueno, la Tierra gira en torno a sí misma y también en torno al Sol, el cual gira en torno al centro de una galaxia, y ésta...

La velocidad de los aviones se indica dependiendo del sistema referencial en el que se desplacen: en tierra los nudos son relativos a tierra, en vuelo son relativos al aire. Si el aire se desplaza (como hace el autobús en la autopista) entonces esa velocidad relativa al aire es diferente de la que tiene el avión con respecto a tierra. Si el aire circula a mucha velocidad, como la corriente en chorro de la parte alta de la troposfera, la velocidad del avión indicada por los pilotos (con respecto al aire) será muy diferente de la que puedan los pasajeros ver en sus monitores (si los tienen) como "velocidad respecto a tierra" (ground speed). Pero el referencial para el avión en vuelo es el aire, todos los parámetros de vuelo deben ajustarse para una velocidad y altitud determinados en ese medio en movimiento. Lo mismo para los barcos, su referencial es el agua, no tierra.

¿A qué velocidad cae alguien que disfruta de una sesión de "gravedad cero" a bordo de un avión de la compañía "Zero Gravity"? Si consideras como referencial el avión entonces no cae (gravedad cero), pero en realidad cae hacia la Tierra a la misma velocidad que el avión. (Véase el tema en http://www.aviationcorner.net/view_topic.asp?topic_id=10333 )

Al ser humano le encantan los retos, los que le plantean y los que se plantea a sí mismo. Con el referencial de la carretera, y gracias a una forma de medir la velocidad absolutamente arbitraria -el kilómetro por hora- el hombre afrontó la barrera de los 100 km/h como si se tratara del premio más codiciado. Dicen que el primer automóvil que lo consiguió llevaba propulsión eléctrica, después lo logró otro con propulsión a vapor, y algún tiempo después otro con un motor de combustión interna. Médicos y respetados profesionales de esta o aquella rama aseguraban que el cuerpo humano no soportaría esa velocidad, garantizando todo tipo de problemas físicos a quien lo intentara, como la solidificación de la sangre, la pérdida de la visión, la locura ... pero nada de todo eso sucedió, porque, en definitiva, 100 km/h no es un límite físico, sino un valor arbitrario en un sistema referencial.

Lo mismo que la temperatura a la que hierve el agua varía según la presión atmosférica (eso de que a 100 grados centígrados es en condiciones estándar de presión y temperatura exteriores) de la misma manera la velocidad a la que un objeto en movimiento alcanza la velocidad del sonido depende de las condiciones exteriores, es decir, de las condiciones del medio referencial. En el espacio no se desplazan los sonidos (las explosiones de las naves de "la guerra de las galaxias" no pueden ser escuchadas desde otras naves), porque la densidad del aire es tan baja que no puede haber desplazamiento de la onda del sonido. En las capas altas de la troposfera la densidad del aire es tan baja que no podríamos respirar de forma natural (de hecho las ascensiones de alpinistas a los ochomiles requieren de bombonas de oxígeno salvo para los muy preparados). Si alguien ha cometido, como hice yo, la imprudencia de cruzar, nada más llegar desde la costa, una carretera corriendo en el altiplano peruano (a unos 4000m) sabrá que el mareo está garantizado: más vale tomarse primero un mate de coca, y después intentar correr.

El concepto de velocidad "Mach", aquella velocidad a la que se alcanza la del sonido, debe su nombre al físico y filósofo austríaco Ernst Mach (1838-1916), quien realizó unas importantísimas observaciones sobre vuelos supersónicos de proyectiles y las publicó en 1877. Fue él quien aventuró y posteriormente demostró la existencia de perturbaciones en forma de cono en el momento en el que un objeto rompe la velocidad del sonido. El proyectil está entonces en la punta del cono, con el cono tras él. La proporción entre la velocidad del proyectil y la del sonido se conoce como velocidad Mach. No es por lo tanto una velocidad fija, como serían los 100 km/h comentados más arriba, sino que depende de la velocidad del sonido en el medio en el que se mueve el proyectil, que es variable como hemos indicado.

Como veis la barrera del sonido no la conquistaron los aviones sino algún tiempo antes, durante ese siglo XIX, los proyectiles militares con su velocidad de salida, es decir, la velocidad con la que el proyectil sale despedido desde un cañón, que es la máxima que alcanzará en toda su trayectoria (de hecho se especula que ciertos animales prehistóricos podían volar a velocidades supersónicas, curioso, ¿verdad?).

Hasta la Segunda Guerra Mundial ni los fabricantes de aviones ni los pilotos se preocuparon demasiado de la posibilidad de batir esa marcaa, lo importante era volar más rápido y llegar más lejos, pero no batir ningún registro, por muy tentador que fuera. Durante esa guerra se desarrollaron los primeros turbofanes experimentales, y también los vuelos no tripulados de bombas volantes algunas de las cuales sí alcanzaron la velocidad del sonido.

Las primeras aproximaciones a la velocidad del sonido de un aeroplano pilotado se produjeron en experimentos o en ataques suicidas durante aquella guerra, mediante picados controlados de aviones de hélice. Está claro que la idea básica era la de aprovechar la atracción de la Tierra como un impulso extra al de los motores, incapaces por sí solos de propulsar a los aviones a esa velocidad en aquellos primeros intentos. Pero pronto descubrieron que los motores de hélice veían su rendimiento gravemente perjudicado al acercarse a la barrera del sonido, haciendo además incontrolable el vuelo del avión por la dificultada de accionar las superficies de control de vuelo. Un grave probable, no previsto: el aire sobre las alas llegó a velocidades supersónicas antes que el avión volara a velocidad supersónica, haciendo caer al avión en picado vertical incontrolable. Por cierto, los extremos de las palas de los helicópteros se mueven a una velocidad superior a la del sonido, mientras que el aparato no lo hace. De ahí el característico sonido de los helicópteros, de estar permanentemente rompiendo la barrera del sonido: ¡lo están!

Los sucesivos experimentos acabaron por dotar a los aviones experimentales de una suerte de flaps de picado, para ayudar a controlar los aviones. Pero el control de esas superficies de vuelo no era el único problema, siendo muy importante el del aleteo producido por las ondas de choque en superficies curvadas, algo que costó la vida a un aventurado piloto de pruebas en 1946 a bordo de un "De Havilland DH 108". Los tres prototipos de este avión se estrellaron trágicamente. De hecho el concepto de "barrera del sonido" apareció entonces para indicar las dificultades en acceder a un vuelo supersónico.

La medalla se la llevó el diseño conocido como "Bell X-1", el cual, pilotado por el capitán Charles Yeager superó oficialmente esa famosa velocidad el día 14 de octubre de 1947, llegando a Mach 1.06 sobre la Base de la Fuerza Aérea Muroc, tras ser liberado en vuelo desde la bodega modificada de un Boeing B-29 Superfortress. El capitán bautizó a aquél aparato como "Glennis Glamurosa" en honor a su esposa. Con seguridad no fue el primer vuelo pilotado a velocidad supersónica, pero sí fue el primero que intencionadamente intentó superarla.

El Mach 2 tendría que esperar hasta 1953, al 20 de noviembre de aquel año. El mérito fue del piloto Scott Crossfield pilotando un "Douglas D-558-2 Skyrocket". Mach 3 en 1956 (un "Bell X-2" pilotado por el capitán Milburn Apt) y Mach 4 y Mach 5 en 1961 (ambos por un "North American X-15" pilotado por el capitán Robert White) y Mach 7 ese mismo año (un "North American X-15A-2" pilotado también por el capitán Robert White) demuestran la rapidez en la evolución de los aparatos supersónicos, pero también en el comportamiento de los aviones a velocidades supersónicas: por encima de Mach 1 la resistencia del aire disminuye.

Veamos esto con mayor detalle: se observa un aumento crítico de la resistencia del aire cuando un objeto se aproxima a la velocidad del sonido, algo así como si las ondas del sonido actuaran de resistente colchón a traspasar justo por delante del objeto en movimiento, pero una vez superada la velocidad del sonido esa resistencia desaparece rápidamente. La realidad es que el aire sí que se comprime a velocidades transónicas (cercanas a la del sonido). El sonido se transmite por ondas físicas, que se expanden en todas las direcciones (esféricamente) desde el objeto emisor. A medida que el avión se acerca a la velocidad del sonido esas ondas se van comprimiendo acercando entre sí en un entorno altamente perturbado de aire, que vibra por el sonido del avión de una forma cada vez más intensa. Es así como se comprime el aire, hasta que el avión sobrepasa esa velocidad del sonido y entonces ningún sonido proveniente del avión puede escapar por delante del mismo. Ya no hay dificultad niguna en seguir propulsando al aparato más allá de Mach 1, dependiendo nada más de rendimiento de motores y del diseño aerodinámico de los aparatos.

Al igual que cuando se consigue hace estallar un globo por inflado la energía liberada al romper la barrera (física) del sonido produce un estallido, una onda de choque que no es escuchada por quienes van dentro del avión (el sonido queda ya por detrás del avión) pero sí es escuchada nítidamente en tierra. Esa onda de choque va a veces acompañada de una especie de nube que aparece y desaparece rápidamente por detrás de la cabina de pilotaje. Se trata de vapor condensado debido al cambio brusco de presión en la ruptura de la barrera.

El diseño de un avión es esencial para poder romper la barrera del sonido, debido entre otras cosas a ese efecto explosivo. Puede suceder que se rompa la barrera en algunas zonas del avión y no en otras (véase más arriba lo indicado para los aviones a hélice en picado), por lo que el diseño debe atender a proporcionar una ruptura tal que todo el avión la soporte en el mismo momento, evitando así que sea incontrolable en la transición transónico-supersónico. El diseño de un avión subsónico no es funcional a velocidades supersónicas, como bien comprendieron los ingenieros que diseñaron y desarrollaron el Concorde, un avión de geometría variable.

Para conseguir romper esa barrera el Concorde utilizaba la post-combustión, que se utilizaba en dos momentos diferentes: en el despegue (cortándola a los 30 segundos, momento en el que los pasajeros notaban una frenada perceptible) y después para sobrepasar Mach 1 y romper la barrera del sonido. En esta ocasión se encendía la post-combustión a 0.93 Mach, manteniéndola hasta 1.6 Mach dados los efectos aerodinámicos de resistencia aerodinámica asociados a la rotura de la barrera del sonido. A Mach 1.7 se cortaba la post-combustión, y la aceleración hasta Mach 2.02 se producía pausadamente sin necesidad de ese empuje adicional.

El rango de energía del boom sónico se concentra en el rango de frecuencias de 0,1-100 Herzios, que es considerablemente más bajo que el los aviones subsónicos, armas de fuego o la mayoría de los ruidos industriales.

La duración del boom sónico es breve, menos de 1 segundo, 100 milisegundos (0,100 segundos) para la mayoría de los aviones de combate y 500 milisegundos para el Concorde.

La intensidad y el ancho de la onda del boom sónico depende de las características físicas del aeroplano y de cómo se opera con él. En general cuanto más elevada sea la altitud del aeroplano menor será la sobrepresión en tierra. A mayores altitudes se incrementa también la propagación lateral del boom, exponiendo al efecto a un área mayor. La sobrepresión en el área de impacto del boom, sin embargo, no será uniforme. La intensidad del boom es mayor directamente bajo la ruta del vuelo, con debilitamiento progresivo a una mayor distancia horizontal desde la vertical de la línea de vuelo.

El ancho en suelo del área expuesta al boom es de aproximadamente 1 milla (unos 1,6 km) por cada 1.000 pies de altitud (unos 300 metros). Lo que es lo mismo, que para un aeroplano supersónico volando a 30.000 pies de altitud (9144 km) se creará un boom lateral de cerca de 30 millas (48 km).

Para vuelos supersónicos constantes el boom se describe como un boom en alfombra puesto que se mueve con el aeroplano y con su velocidad supersónica y altitud mantenida. Algunas maniobras, picados, aceleraciones o giros, pueden causar un enfoque del boom en una zona. Otras maniobras, como la desaceleración y el ascenso, pueden reducir la potencia del shock. En algunos casos las condiciones climatológicas pueden distorsionar el boom sónico.


Saludos,

José María
pd: he reutilizado frases mías que en su día incluí en un post sobre boom-sónico, iniciado por Raúl Viorel: http://www.aviationcorner.net/view_topic.asp?topic_id=6742


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Modificado el 17/01/2015 20:16:40
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