jueves, 1 de febrero de 2007

VUELO SUPERSÓNICO:
la barrera imaginaria

Que los humanos se descontrolan es un hecho demostrado, mis chorlitos, y el tema que trataremos hoy lo confirma sin ningún tipo de duda. Porque una vez estuvo superado el reto de aprender a volar, volvieron a obsesionarse con una idea nueva: la de volar cada vez más rápido.




Pero se llevaron un buen chasco. Resultó que, a pesar de todos sus esfuerzos y desvelos, llegaron a una velocidad límite de la cual no podían pasar. Y eso les hundió en la miseria, por supuesto. A esa velocidad la llamaron barrera del sonido, porque era aproximadamente igual a la de las ondas sonoras, que al nivel del mar es de 340 m/s, o 1224 km/h.



Cuando el valor del Mach (o M, la velocidad del avión dividida entre la del sonido) se acerca a uno, la fuerza de resistencia aerodinámica se dispara, y los motores de entonces no eran capaces de vencerla para seguir acelerando. Además, las teorías que describen el vuelo subsónico (a Mach menor que la unidad), que consideran que el aire es incompresible, predicen que en M = 1 la resistencia se hace infinita, por lo que haría falta un motor de potencia también infinita para llegar a él, y sería imposible de superar. Como es lógico, cuando los humanos llegaron a esa conclusión se tiraron de los pelos (y además estaban equivocados; la forma real de la resistencia es la de la gráfica de abajo: no sólo es finita, sino que además disminuye para Mach > 1).



Lo que realmente ocurre si volamos a la velocidad del sonido es que aparece una onda de choque, porque por supuesto el aire que se comprime. Analicémoslo detenidamente: la información (un sonido, por ejemplo), se transmite por el aire a través de ondas de presión que viajan, como ya dijimos, a 340 m/s. Si hay un objeto que se mueve a través del aire, como un avión, a una velocidad menor que la del sonido, los efectos de su paso se dejarán sentir por delante y por detrás de él (si se acerca a nosotros, lo escucharemos y sabremos que está ahí, por lo que la perturbación que produce en la atmósfera nos alcanza antes de que lo haga el avión). Y ocurrirá, por efecto Doppler, más o menos lo mismo que cuando oímos acercarse una ambulancia con la sirena encendida (porque las ambulancias se mueven en subsónico, por más que a sus conductores les gustara que fueran supersónicas). Las ondas de presión se comprimen por delante del objeto y se expanden por detrás, como se ve en la figura (por eso oímos la sirena más aguda cuando se acerca y más grave cuando se aleja).



En cambio, si se mueve a una velocidad igual o mayor que la del sonido, la información no podrá viajar más rápido que él, por lo que no se sentirán sus efectos aguas arriba en la corriente (también a consecuencia del efecto Doppler), lo que quiere decir que no escucharemos al avión hasta que nos alcance o incluso nos sobrepase, dependiendo de la velocidad que lleve. Como las ondas de presión se transmiten a una velocidad constante en todas direcciones, se pueden representar como circunferencias (en realidad son esferas) alrededor del punto emisor. Y si el punto emisor se mueve a velocidad supersónica en línea recta, el frente de onda quedará siempre por detrás de él, con lo cual la perturbación estará siempre dentro del cono de la figura (aunque está dibujado en dos dimensiones y parece un triángulo, en realidad es un cono de revolución), llamado cono de Mach. El cono se hará más afilado conforme vaya aumentando la velocidad.

El cono de Mach es una onda de choque, es decir, las propiedades del aire cambian muy bruscamente de un lado a otro: hay un salto repentino y muy considerable en la presión, y las cosas que ocurren a un lado del cono no pueden afectar a las del otro lado (es como si el avión apareciera de repente por detrás de él). Por ello se habla de boom sónico cuando la onda de choque alcanza a un observador en tierra: suena de repente un petardazo muy fuerte, a veces hasta de 200 dB (las variaciones de presión, a fin de cuentas, son sonido).

En la imagen de abajo puede apreciarse la condensación de vapor de agua alrededor de un F-18 "rompiendo" la barrera del sonido (dicho propiamente, volando en transónico). El vapor se condensa debido al cambio brusco de presión que provoca la aparición repentina de la onda de choque, por lo que esto sólo ocurre muy brevemente durante la transición de subsónico a supersónico.



Esta onda de choque es la causante del incremento en la resistencia aerodinámica, y las ecuaciones del vuelo subsónico no sirven en estas condiciones. Finalmente los humanos entendieron eso y lo tuvieron en cuenta a la hora de diseñar los aviones (evitando en lo posible la aparición de ondas de choque locales, porque, como vimos anteriormente, no en todos los puntos de un avión el aire tiene la misma velocidad, y puede ocurrir que se supere el Mach unidad sólo en algunas zonas). El desarrollo de motores a reacción con postcombustor, capaces de proporcionar mucha más potencia, también fue determinante para superar la temida barrera del sonido. Así que, al final, lo consiguieron (por pura cabezonería, como casi todo).



Y cómo no, ahora se dedican a intentar volar a varias veces la velocidad del sonido (el Concorde volaba a más de 2, el SR-71 Blackbird a más de 3… ¡y el Shuttle llega hasta Mach 27!), y están trabajando en lo que han llamado vuelo hipersónico (a partir de Mach 5). Lo mejor de todo es que han llegado a la conclusión de que el vuelo supersónico no resulta rentable, y han paralizado muchos de los proyectos para desarrollar y/o explotar aviones comerciales que vuelen por encima de la velocidad del sonido (los aviones de transporte convencionales suelen volar alrededor de Mach 0,7 o 0,8). Aunque cuando se trata de matarse entre ellos no escatiman en gastos, claro, así que la mayoría de los aviones supersónicos son militares.

Visto lo visto, no sé cómo son capaces de soportarse a sí mismos, de verdad, no tienen remedio. Os apuesto cualquier cosa a que dentro de unos años estarán intentando viajar al hiperespacio ese, o cualquier otra estupidez parecida. Con tal de llamar la atención…

NOTA: Los enlaces a la Wikipedia están todos en inglés porque la mayoría eran una caca en español

9 piopíos:

El Otro dijo...

La ventaja que tienen los seres humanos es que gracias a sus obsesiones y a ideas 'absurdas' consiguen muchos logros, aunque en general sean usados por la guerra y no por la paz. Soñemos con el hiperespacio y consigamos viajar a las estrellas de algún modo.

El Otro

Lyd dijo...

Soñemos también con que todo el dinero que se invierte en la guerra se utilice para mejorar la vida de los que más lo necesitan, y con que las ideas 'absurdas' sirvan para lo que deben servir las ideas: para hacer un mundo mejor para todos.

Nils dijo...

te parecerá una gilipollez, pero ahora yo entiendo el nombre de las cuchillas de afeitar jajaja, pero me queda una duda, entonces si en el espacio no hay aire, no hay rozamiento con lo que la velocidad que se puede alcanzar en el espacio llegaría a ser muchísimo superior, entonces...??? me duele la cabeza uff...bueno pues eso, estas teorías se usan en el espacio o las naves extrapaciales van de otra manera??? necesito un dibujo y una aspirina!! voy a por ella Besos!!

Lyd dijo...

Claro, hombre, los aviones supersónicos vuelan en la atmósfera. Si no serían naves espaciales, no aviones. ;)

En el espacio no hay fuerza de rozamiento, pero sí muchas otras fuerzas (para empezar, la gravedad). En breve publicaré un post sobre órbitas donde hablaré un poco de eso. Sí que se alcanzan velocidades mucho mayores en el espacio. Puedes calcular la velocidad con la que la Tierra viaja alrededor del sol, por ejemplo. Así, a grosso modo, si tarda 365 días en dar una vuelta completa y la órbita tiene un radio de 1 U.A. -150 millones de kilómetros-, eso hace 2*pi*150*10^6/365*24 = 107589 km/h aprox., o unos 30 km/s. Casi nada, eh?

omalaled dijo...

Lyd: debes haber actualizado este artículo porque me ha salido en el bloglines. Sea como sea, hay ina cosa donde creo que debo corregirte.

Cuando hablas de que un avión vuela a Mach 1 es porque lo hace a 340 metros por segundo. Hasta aquí puedo estar de acuerdo en el Concodre y el Sr-71 y que se trabaje en Mach 5; pero con lo del Shuttle no.

340 metros por segundo es la velocidad del sonido a unas determinadas condiciones de presión, tenperatura, humedad relativa, etc. A la altura que está ese bicho, la velocidad del sonido deja de tener sentido como tal. Allí el sonido no se propaga a 340 metros por segundo. De hecho ( y esto lo debes saber muho mejor tú que yo), al empezar a encontrar el aire de la atmósfera es cuando se calienta del copón y vienen los problemas de aislamiento.

Por tanto, puede que vuele a Mach 23, pero eso es como decir que la Tierra se mueve alrededor del Sol (aproximadamente 30.000 m/s) a Mach 88. ¿A que no tiene sentido?

Salud!

Lyd dijo...

Me alegro de que señales mis fallos, Omalaled, y, por favor, continúa haciéndolo, porque soy igual de propensa que cualquiera a cometerlos.

Sin embargo, en esta ocasión lo que ocurre es que no me has entendido bien. Por supuesto, como bien dices, en el vacío no se transmite el sonido, así que no tiene sentido hablar del número de Mach. Eso lo sabe todo el mundo (excepto George Lucas! xD)

Estoy intentando recordar la fuente de la que saqué la velocidad del Shuttle (creo que fueron mis apuntes, pero no estoy segura). Esa velocidad se refiere obviamente a la reentrada. Cuando el Shuttle entra en la atmósfera su velocidad es de unos 28000 km/h (eso dice aquí y no parece descabellado), o lo que es lo mismo, unos 7778 m/s. La velocidad del sonido está dada por la expresión a = (gamma*R*T)^0,5; que, excepto por la temperatura, depende sólo de las constantes del aire, de modo que no tiene nada que ver con la densidad de la atmósfera. La reentrada comienza una vez se puede considerar que la atmósfera es un medio continuo (en la zona más externa se considera un medio discontinuo formado por moléculas dispersas que no se comportan como un gas), y donde la ecuación que define la velocidad del sonido comienza a tener validez. De modo que en ese momento el Shuttle se mueve a M = 22,876 o, redondeando, 23. Y es entonces, como bien dices, donde encuentra los problemas del copón ^^ (tengo intención de escribir una entrada sobre eso un día de estos). Espero haberte convencido ;)

Por cierto, estoy editando el formato de las entradas porque he cambiado un poco la plantilla y se me han desajustado y quiero volver a ponerlas bonitas. Soy muy perfeccionista (y capaz de editar una entrada 40 veces hasta que la dejo como yo quiero), así que no te asustes si de vez en cuando te sale en el bloglines que he hecho un cambio, porque iré editándolas poco a poco cuando tenga tiempo. Eso no quiere decir que haya escrito nada nuevo. Aunque tú eres libre de leer todo lo que quieras, claro ;) (Y muchas gracias por hacerlo!)

Saludos!

Lyd dijo...

Perdona, Omalaled, un par de cosas: el enlace, no sé por qué, está mal (yo juraría que hice un copy-paste). Es éste: http://www.mega-cosmos.com/mono/stsreftec.html

Y otra cosa. No tuve en cuenta que a la altitud de la reentrada, 140 km, la temperatura es de unos 600K, así que la velocidad del sonido es (1,4*287*600)^1,5 = 491 m/s, por lo que la velocidad del Shuttle sería de Mach 16. De todos modos, aunque su velocidad vaya disminuyendo según entra en la atmósfera, la temperatura también lo hace, por lo que es posible que el Mach incluso aumente. Como no sé la variación de velocidad del Shuttle durante la reentrada no lo puedo calcular. Aunque es probable que a los 90 km de altitud, que la temperatura tiene un mínimo (unos 150K, según esto), y teniendo en cuenta que al principio la desaceleración es muy suave, el Mach sea bastante alto (suponiendo 20.000 km/h sale 22,6).

Saludos!

omalaled dijo...

Teniendo en cuenta esos datos, me parece bien M16, pero aun así, si pones a un Shuttle a esa misma velicidad a nivel de mar imagino que se fundiría en un instante, ¿no?

Lo que quiero decir es que las condiciones mecánicas a las que se enfrenta a esa densidad deben ser totalmente diferentes que si estuviera a nivel de mar, por ello, aunque me digas M16, no lo vería igual.

Pero bueno, espero ese artículo de los problemas del calor del copón para chorlitos :-)

Lyd dijo...

El problema a esas velocidades es que el aire deja de comportarse como suele comportarse, así que tendría que ponerme a analizar seriamente lo que ocurriría al nivel del mar. Es probable que no hubiera tanta diferencia, porque el calentamiento en vuelo hipersónico no se debe a la fricción (al contrario de lo que mucha gente cree). Tengo en el horno una entrada sobre motores que creo que terminaré después de mi examen del lunes (que, por cierto, es de vehículos espaciales), y puede que después me ponga con el de la reentrada, que lleva mucho tiempo esperando en cola, y lo explique en condiciones.



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