Ondas de choque
La ingeniería aeronáutica trabaja con el fenómeno durante el desarrollo de una aeronave y puede aprovecharlo en ciertos casos
Efecto normalmente generado cuando un avión rompe la barrera del sonido (1 Mach)
Atención: este texto es una explicación simplificada de un fenómeno muy complejo, y no pretende llevar a cabo un enfoque académico
La violenta explosión que ocurrió ayer (4) en Beirut, la capital del Líbano, conmocionó al mundo y causó docenas de muertes y daños que se extienden por varios kilómetros desde el epicentro de la detonación.
La llamada onda de choque es un fenómeno ampliamente estudiado en ingeniería aeronáutica, especialmente en diseños de aviones supersónicos. Los nuevos proyectos civiles que incluyen aviones ultrarrápidos, como el anunciado por Virgin Galactic, tienen el desafío de evitar la formación del boom sónico, que a menor escala tiene un efecto similar a la explosión en Beirut.
La onda de choque se caracteriza por ser una perturbación violenta en la propagación de la presión que se mueve más rápido que la velocidad del sonido en el aire.
De manera simplificada, cuando un avión subsónico (más lento que el sonido) vuela, causa una perturbación en el aire a su alrededor, donde las moléculas agitadas por el avión mueven a los que están frente a él. Debido a que esta perturbación ocurre a una velocidad más alta que el desplazamiento del avión, el aire que se encuentra adelante avanza, preparándose para que el avión pase, lo que le permite volar sin causar ondas de choque. En el plano supersónico, dado que su desplazamiento es más rápido que la advertencia generada por su perturbación, el aire se desplaza abruptamente, causando una gran variación de presión y generando una onda de choque.
El esquema muestra el desplazamiento de las ondas según la velocidad del avión | Imagen: WikiMedia Commons CC 2.5
En general, cuando un avión cruza la barrera del sonido, es posible ver la onda de choque que se forma a su alrededor: el famoso cono supersónico. Aun así, incluso volando por debajo de la velocidad del sonido se puede notar un efecto similar, la diferencia es que cuando se rompe la barrera del sonido, la presión generada se mueve violentamente, como se puede ver en las imágenes de la explosión en el Líbano.
Cuando la onda de choque es perpendicular a la dirección del flujo, lo que constituye una onda de choque normal, las ecuaciones se derivan de la conservación de masa, momento y energía. Sin embargo, dependiendo de la forma del objeto y la velocidad, la onda de choque puede inclinarse en la dirección del flujo, generando la llamada onda de choque oblicua.
Las ecuaciones utilizadas por los ingenieros aeronáuticos combinan el número de Mach (1,234.8 km/h) de flujo libre y ángulo de desviación donde se produce un choque oblicuo. Si la desviación es demasiado alta o el Mach es demasiado bajo, se producirá una descarga normal.
La imagen generada por la NASA muestra la perturbación generada por el avión en su desplazamiento a través del aire, observe las ondas de choque alrededor del avión
Los choques oblicuos se generan inicialmente por la nariz y el borde de ataque del ala (borde delantero) y la cola de un avión supersónico. A medida que el flujo generado vuelve a las condiciones de flujo libre, se generan nuevos choques oblicuos en los bordes del avión. También ocurre en la nariz del avión si la presión expandida es diferente de las condiciones de flujo libre.
Aunque son potencialmente problemáticos en la aviación, causan problemas de ruido (cuando se encuentran a grandes altitudes) o destruyen el acristalamiento e incluso datos físicos en personas y animales cuando se encuentran a baja altitud, se pueden usar golpes oblicuos para comprimir el aire que ingresa al avión. De esta manera, es posible aumentar la presión de aire sin usar compresores dentro del motor. Este es el principio básico del motor del poderoso avión espía SR-71 Blackbird, que superó la marca 3 Mach, es decir, tres veces la velocidad del sonido o aproximadamente 3.705 km/h.
Los motores del SR-71 utilizan compresión de aire generada por su propio desplazamiento
El número de Mach, que define la velocidad del sonido, es la relación entre la velocidad del objeto y la velocidad de las ondas de sonido en un medio (en este caso, aire). La velocidad del sonido depende únicamente de la temperatura, por lo que una aeronave que se eleva desde el nivel del mar para un vuelo de crucero a gran altura, incluso manteniendo una velocidad constante verá aumentar el número de Mach. La razón es que la velocidad del sonido ha disminuido con el aire más frío. Es decir, puede ser posible romper la barrera del sonido antes de llegar a 1,234.8 km/h.
Publicado em 6 de Agosto de 2020 a las 10:00
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