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Velocidad de la barrera del sonido
F/A-18 transónico de la Marina de EE.UU. empujando hacia la barrera del sonido. La nube blanca supersónica se forma por la disminución de la presión y la temperatura del aire alrededor de la cola del avión (véase la singularidad de Prandtl-Glauert)[1][2].
La barrera del sonido o barrera sónica es el gran aumento de la resistencia aerodinámica y otros efectos indeseables que experimenta un avión u otro objeto cuando se acerca a la velocidad del sonido. Cuando las aeronaves se acercaron por primera vez a la velocidad del sonido, se consideró que estos efectos constituían una barrera que dificultaba o imposibilitaba las velocidades más rápidas[3][4] El término barrera del sonido se sigue utilizando hoy en día para referirse a las aeronaves que se acercan al vuelo supersónico en este régimen de alta resistencia. Volar más rápido que el sonido produce un estampido sónico.
En aire seco a 20 °C (68 °F), la velocidad del sonido es de 343 metros por segundo (unas 767 mph, 1234 km/h o 1.125 pies/s). El término comenzó a utilizarse durante la Segunda Guerra Mundial, cuando los pilotos de aviones de combate de alta velocidad experimentaron los efectos de la compresibilidad, una serie de efectos aerodinámicos adversos que impedían una mayor aceleración, aparentemente impidiendo el vuelo a velocidades cercanas a la del sonido. Estas dificultades representaban una barrera para volar a velocidades más rápidas. En 1947, el piloto de pruebas estadounidense Chuck Yeager demostró que era posible volar con seguridad a la velocidad del sonido en aviones diseñados para ello, rompiendo así la barrera. En la década de 1950, los nuevos diseños de aviones de combate alcanzaban de forma rutinaria la velocidad del sonido, y más rápido[N 1].
Velocidad del avión km/h
Cualquier discusión sobre lo que ocurre cuando un objeto rompe la barrera del sonido debe comenzar con la descripción física del sonido como una onda con una velocidad de propagación finita. Cualquiera que haya escuchado un eco (ondas sonoras que se reflejan en una superficie lejana) o haya estado lo suficientemente lejos de un evento como para verlo primero y escucharlo después, está familiarizado con la propagación relativamente lenta de las ondas sonoras. A nivel del mar y en condiciones atmosféricas estándar de 22 grados Celsius, las ondas sonoras viajan a 345 metros por segundo (770 millas por hora). A medida que la temperatura local disminuye, la velocidad del sonido también disminuye, de modo que para un avión que vuela a 35.000 pies, donde la temperatura ambiente es de 54 C, la velocidad local del sonido es de 295 metros por segundo (660 millas por hora).
Dado que la velocidad de propagación de las ondas sonoras es finita, las fuentes de sonido que están en movimiento pueden empezar a alcanzar las ondas sonoras que emiten. A medida que la velocidad del objeto aumenta hasta la velocidad sónica (la velocidad local de las ondas sonoras), estas ondas sonoras comienzan a apilarse delante del objeto. Si el objeto tiene suficiente aceleración, puede atravesar esta barrera de ondas sonoras y adelantarse al sonido radiado. El cambio de presión que se produce cuando el objeto supera toda la presión y las ondas sonoras que tiene delante se escucha en el suelo como una explosión, o boom sónico.
La barrera del sonido
Si tiras una piedra en un estanque, se formarán pequeñas ondas en círculos concéntricos que se propagarán desde el punto de impacto. Si un barco atraviesa el estanque a una velocidad de entre 3 y 5 millas por hora, las pequeñas ondas se propagarán de la misma manera tanto por delante como por detrás del barco, y éste las atravesará.
Si un barco viaja más rápido de lo que las olas pueden propagarse a través del agua, entonces las olas “no pueden salir del camino” del barco lo suficientemente rápido, y forman una estela. Una estela es una ola individual más grande. Se forma a partir de todas las pequeñas olas que se habrían propagado por delante de la embarcación pero que no han podido hacerlo.
Cuando un avión viaja por el aire, produce ondas sonoras. Si el avión viaja más despacio que la velocidad del sonido (la velocidad del sonido varía, pero 700 mph es típica en el aire), entonces las ondas sonoras pueden propagarse por delante del avión. Si el avión rompe la barrera del sonido y vuela más rápido que la velocidad del sonido, produce un estampido sónico cuando pasa. El estampido es la “estela” de las ondas sonoras del avión. Todas las ondas sonoras que normalmente se habrían propagado por delante del avión se combinan entre sí, de modo que al principio no se oye nada, y luego se oye el estampido que crean.
Fórmula de la velocidad local del sonido
El Concorde es, por supuesto, un avión muy recordado. Podía volar a más del doble de la velocidad del sonido, reduciendo los vuelos de Londres a Nueva York a menos de tres horas. Sin embargo, volar a velocidades supersónicas crea un boom sónico. Esto limitó las operaciones del Concorde y probablemente volverá a hacerlo cuando el próximo avión supersónico surque el cielo.
El vuelo supersónico se logró por primera vez en 1947, con un prototipo de avión militar estadounidense Bell X-1. Se ha convertido en algo habitual, por supuesto, en los aviones militares, pero sólo dos aviones comerciales lo han conseguido.
El Concorde estuvo en servicio durante 27 años desde 1976 con British Airways y Air France. Sólo 14 aviones entraron en servicio con estas dos aerolíneas, a pesar de las opciones iniciales de unos 100 aviones de 18 aerolíneas.
Alcanzar velocidades supersónicas fue un logro de ingeniería impresionante para un avión tan grande. Las adaptaciones de diseño incluían un diseño de ala delta, motores turborreactores mejorados con postcombustión para recalentar el escape, un morro ajustable para reducir la resistencia y pintura reflectante para desviar el calor.
