Barrera del sonido (Mach 1): qué es, cómo se forma y sus efectos

Descubre qué es la barrera del sonido (Mach 1), cómo se forma y sus efectos en aeronaves: estallido sónico, diseño de alas y fenómenos asociados.

Cuando un objeto se acerca a la velocidad del sonido (Mach 1), la presión del aire cambia drásticamente y se forman ondas de presión alrededor del objeto. A medida que la velocidad aumenta hacia Mach 1, esas ondas se comprimen y se concentran delante del objeto; al alcanzarse y sobrepasarse Mach 1 la variación de presión puede producir una caída brusca acompañada de un fuerte sonido. Ese fenómeno audible suele llamarse estallido sónico y la velocidad a la que ocurre se denomina barrera del sonido. Para permitir vuelos seguros y eficientes más allá de Mach 1, las alas y el conjunto de las aeronaves deben rediseñarse y adaptarse a las exigencias aerodinámicas del régimen supersónico.

Qué es la barrera del sonido

La llamada barrera del sonido no es una barrera física sólida, sino el conjunto de efectos aerodinámicos que aparecen cuando un objeto se aproxima a la velocidad a la que se propagan las ondas sonoras en el medio. El número de Mach se define como la relación entre la velocidad del objeto y la velocidad del sonido en ese medio: M = v / a, donde v es la velocidad del objeto y a la velocidad del sonido. Cuando M = 1 decimos que el objeto viaja a velocidad sónica; si M > 1, viaja a velocidad supersónica.

Cómo se forma: ondas de choque y cono de Mach

Cuando un objeto se mueve más lentamente que el sonido, las perturbaciones que genera (pequeñas variaciones de presión) pueden propagarse hacia delante. Si el objeto supera la velocidad de propagación de esas perturbaciones, las ondas se acumulan y se reorganizan en una onda de choque: una discontinuidad muy estrecha donde la presión, la temperatura y la densidad del aire cambian bruscamente. Esa onda de choque se propaga en forma de cono detrás del objeto llamado cono de Mach. El ángulo del cono, denominado ángulo de Mach µ, viene dado por sin µ = 1 / M (para M ≥ 1): cuanto mayor es M, más estrecho es el cono.

El estampido sónico

El estampido sónico o 'boom' es la percepción en superficie del paso de esas ondas de choque. Normalmente una aeronave genera una forma característica de onda de presión en forma de “N” (N-wave), lo que produce dos picos acústicos: uno al paso del morro y otro al paso de la cola. Factores que influyen en la intensidad y extensión del estampido:

• Altitud de vuelo: a mayor altura, la onda se diluye más antes de llegar al suelo y el boom es menos intenso.
• Velocidad y tamaño de la aeronave: mayor tamaño o mayor exceso sobre Mach 1 incrementan la señal.
• Forma y diseño del fuselaje: un perfil alargado y diseñado puede reducir la intensidad (reducción de boom mediante shaping).
• Condiciones atmosféricas (temperatura, viento, estratificación): afectan la propagación del sonido.

Velocidad del sonido: depende del medio

La velocidad del sonido en el aire varía con la temperatura (y, en menor medida, con la composición y humedad). Aproximadamente vale 343 m/s (≈ 1 235 km/h) a 20 °C al nivel del mar; sin embargo, en capas más frías de la atmósfera la velocidad es menor. Por eso la misma velocidad en m/s puede corresponder a distintos números de Mach según la altitud y la temperatura.

Consecuencias para la aviación y el diseño de aeronaves

Para volar de manera eficiente y segura en régimen transónico y supersónico (aprox. Mach 0.8–2+), los aviones incorporan diversas soluciones:

• Ala barrida (swept wing) o alas delta para retrasar la aparición de ondas de choque en las superficies portantes.
• Regla de área (area rule): diseño del fuselaje que minimiza el aumento de resistencia (wave drag) cerca de Mach 1.
• Alas más delgadas y perfiles optimizados para reducir la formación de ondas de choque fuertes.
• Entradas de aire y motores diseñados para manejar cambios de presión y ondas de choque en regímenes supersónicos.
• Control de estabilidad y sistemas de control de vuelo que compensan cambios aerodinámicos rápidos en el régimen transónico.

Historia y ejemplos

El primer vuelo controlado por encima de Mach 1 fue realizado por el cohete-propulsado Bell X-1 en 1947, pilotado por Chuck Yeager. Desde entonces, han existido aviones militares supersónicos (cazas, interceptores) y civiles como el Concorde que realizaron vuelos regulares supersónicos sobre el océano. Actualmente hay proyectos para reintroducir transporte supersónico comercial con tecnologías que reduzcan el estampido sónico y mejoren la eficiencia.

Regulaciones y mitigación

Debido al ruido y a la posible perturbación al sobrevolar poblaciones, muchos países prohíben el vuelo supersónico sobre tierra en rutas comerciales. Para mitigar el efecto del boom se trabaja en:

• Diseños de aeronaves que distribuyan las fuentes de presión para reducir el pico sonoro.
• Vuelos a mayor altura para atenuar el impacto en superficie.
• Investigación en materiales y sistemas de propulsión más eficientes para reducir consumo y emisiones.

Datos y curiosidades

• El paso de Mach 1 por sí mismo no destruye el avión; el reto es controlar las fuerzas aerodinámicas adicionales y la mayor resistencia.
• El régimen transónico (cerca de Mach 1) es uno de los más complejos aerodinámicamente porque conviven zonas subsónicas y supersónicas alrededor del avión.
• La intensidad del estampido depende tanto de la creación de ondas de choque como de cómo esas ondas se propagan y se combinan hasta la superficie.

En resumen, la barrera del sonido representa el paso de un régimen aerodinámico a otro con la aparición de ondas de choque y efectos asociados (estampidos, aumento de resistencia). Con el diseño adecuado y conocimiento de la física de las ondas de choque, es posible superar Mach 1 de forma controlada y segura, aunque con costes y restricciones ambientales y operativas que deben gestionarse.

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