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 sí 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