Hoy os traigo un post que continúa un poco la línea del post de la semana pasada y que encima es bastante curioso y tiene resultados físicos inverosímiles.
La barrera del sonido es un límite, que inicialmente se pensaba que un objeto físico no podía superar, pero esto cambió durante los años cincuenta ya que distintas aeronaves comenzaron a superarla. Se pensaba que era un tipo de barrera que no permitía a los objetos viajar más rápido que la velocidad del sonido (unos 340 metros en un segundo en el aire a condiciones normales) y que estallaba al viajar a esa velocidad.
Obviamente, tal barrera no existe, pero se quedó ese término. Lo que nosotros vemos son en realidad una serie de ondas chocando entre sí. Recordemos que el sonido son solo ondas de presión que se trasladan por un medio. La velocidad a la que se trasladan esas sondas está determinada por una fórmula que depende, básicamente, de la presión y la temperatura. Un objeto al moverse produce ondas sonoras que se desplazarán a la velocidad del sonido, pero, ¿qué pasará si el propio objeto se desplaza más rápido que las ondas que produce? En este caso lo que ocurre es que las ondas de sonido chocan entre ellas produciendo ese cono y ese gran estruendo (os dejo un vídeo aquí).
Este fenómeno no solo se produce en aviones militares, también se producía en aviones comerciales como el Concorde, avión que terminó retirándose por su baja rentabilidad y que hacía tanto ruido durante su vuelo que diversos países lo prohibieron en su espacio aéreo. Este curioso fenómeno también lo puedes producir con una toalla en tu casa, tan solo tienes que enrollarla formando un látigo y agitarla como si se tratara de este. No verás una onda de choque, pero sí que la escucharás si consigues darle suficientemente fuerte (lo que escucharás seguro son los gritos de la persona a la que le golpees sin querer). A parte de la broma, esto que os acabo de contar es solo una pequeña consecuencia, así que ahora vamos con lo de verdad, porque esto tiene implicaciones reales en la industria que todo ingeniero debería conocer.
Este fenómeno tiene una verdadera utilidad en el transporte de aire por conductos cerrados, como tuberías o como los álabes de una turbina (en este post anterior hay una imagen dónde se observan las ondas de choque en los álabes). Para explicarlo bien, lo primero vamos a definir un par de conceptos: el gasto másico, que son los kilogramos por segundo que pasan por un conducto, y segundo la velocidad del fluido, pero no en metros por segundo, sino en Machs. El número de Mach es la división entre la velocidad del flujo y la velocidad del sonido en las mismas condiciones que el fluido. Este número será menor que uno cuando el flujo viaje por debajo de la velocidad del sonido y, por el contrario, mayor que uno cuando supere esta velocidad.
Resumiendo muchísimo el comportamiento del flujo compresible, cuando nosotros tratamos de acelerar un fluido en condiciones subsónicas (a velocidades por debajo del sonido) sin aportar más energía, lo que se hace es reducir la sección por la que pasa, hasta que este llega a la velocidad del sonido. Cuando alcanza esta velocidad, seguir reduciendo la sección no aumentaría su velocidad, por eso, lo que debemos hacer es aumentarla hasta alcanzar la velocidad requerida. Esto sirve para maximizar el gasto másico, pero aquí nadie ve ninguna onda de choque ni nada.
Nadie la ve hasta que descargamos un flujo a velocidad supersónica en un depósito y se produce un cambio brusco de presión en el fluido, y aparece una singularidad matemática, la Singularidad de Prandtl-Glauert. Esta singularidad es debida a que cuando el número de Mach es mayor que uno, el flujo solo depende de la temperatura y presión en la menor sección de nuestra conducto, por lo que al definir una presión de salida el problema está sobredeterminado y aparece una onda de choque que reduce instantáneamente el flujo para que pueda tener la presión del depósito.
De estas ondas se conocen todas las ecuaciones y su comportamiento y existen dos tipos de este tipo de ondas. Para observarlas mejor vamos a aprovechar la imagen de arriba. La primera de ellas es la onda de choque, que se produce al incidir un flujo supersónico sobre la punta, produciendóse una onda de choque, en este caso, oblicua. El flujo se decelara al reducirse la sección, cómo habíamos dicho antes, hasta que la sección del objeto se mantiene constante, entonces aparece el otro tipo de onda, la onda de expansión, hasta que finaliza el objeto y aparece la estela que este deja.
Y hasta aquí el post de hoy, un post un poco más teórico pero divertido y sencillo de entender. Espero que os haya gustado y, como siempre os digo, si tenéis alguna duda o pensáis que hay algo incorrecto podéis hablarme a través de Twitter o correo electrónico.