Dentro del ámbito de la física, hay ciertas barreras que los seres humanos han llegado a reconocer. La más conocida es la velocidad de la luz, la velocidad máxima a la que puede viajar toda la materia convencional y todas las formas de información en el Universo. Esta es una barrera que la humanidad nunca podrá superar, principalmente porque al violar una de las leyes más fundamentales de la física: la Teoría de la Relatividad General de Einstein.
¿Pero qué hay de la velocidad del sonido? Esta es otra barrera en la física, pero que la humanidad ha podido romper (de hecho, varias veces más). Y cuando se trata de romper esta barrera, los científicos usan lo que se conoce como un número de Mach para representar el límite del flujo más allá de la velocidad local del sonido. En otras palabras, superar la barrera del sonido se define como Mach 1. Entonces, ¿qué tan rápido tiene que hacerlo?
Definición:
Cuando escuchamos el término Mach 1, es fácil suponer que es la velocidad del sonido a través de la atmósfera de la Tierra. Sin embargo, este término está más cargado de lo que piensas. La verdad es que un número de Mach es una relación en lugar de una medición directa real de la velocidad. Y esta relación se debe al hecho de que la velocidad del sonido varía de un lugar a otro, debido a las diferencias de temperatura y densidad del aire.
Matemáticamente, esto se puede definir como M = tu/C, donde M es el número de Mach, tu es la velocidad de flujo local con respecto a los límites (es decir, la velocidad del objeto que se mueve a través del medio), y C es la velocidad del sonido en ese medio en particular (es decir, atmósfera local, agua, etc.).
Cuando se rompe la velocidad del sonido, esto da como resultado lo que se conoce como un "boom sónico". Este es el sonido fuerte y agrietado asociado con las ondas de choque creadas por un objeto que viaja más rápido que la velocidad local del sonido. Los ejemplos abarcan una aeronave que rompe la barrera del sonido a los auges en miniatura causados por balas que vuelan o el estallido de un látigo.
Velocidad del sonido:
Básicamente, la velocidad del sonido es la distancia recorrida en una cierta cantidad de tiempo por una onda de sonido a medida que se propaga a través de un medio elástico. Como ya se señaló, este no es un valor universal, sino que se reduce a la composición del medio y las condiciones de ese medio. Cuando hablamos de la velocidad del sonido, nos referimos a la velocidad del sonido en la atmósfera de la Tierra. Pero incluso eso está sujeto a variación.
Sin embargo, los científicos tienden a confiar en la velocidad del sonido medida en aire seco (es decir, baja humedad) y a una temperatura de 20 ° C (68 ° F) como estándar. En estas condiciones, la velocidad local del sonido es de 343 metros por segundo (1,235 km / h; 767 mph), o 1 kilómetro en 2.91 sy 1 milla en 4.69 s.
Clasificaciones:
Como con la mayoría de las relaciones, existen aproximaciones y categorías que se utilizan para medir la velocidad del objeto en relación con la barrera del sonido. Esto nos da las categorías de subsónico, transónico, supersónico, y hipersónico. Este sistema de categorización se usa a menudo para clasificar aeronaves o naves espaciales, siendo el requisito mínimo que la mayoría de las naves clasificadas tengan la capacidad de acercarse o superar la velocidad del sonido.
Para aeronaves o cualquier objeto que vuela a una velocidad inferior a la barrera del sonido, la clasificación de subsónico aplica. Esta categoría incluye la mayoría de los aviones de pasajeros y pequeños aviones comerciales, aunque se han observado algunas excepciones (es decir, aviones comerciales supersónicos como el Concorde).
Dado que estas naves nunca alcanzan o exceden la velocidad del sonido, tendrán un número de Mach menor que uno y, por lo tanto, expresado en forma decimal, es decir, menor que Mach 0.8 (273 m / s; 980 km / h; 609 mph). Por lo general, estos aviones son impulsados por hélices y tienden a tener alas de alta relación de aspecto (esbeltas) y características redondeadas.
La designación de transonic se aplica a una condición de vuelo donde existe un rango de velocidades de flujo de aire alrededor y más allá del avión. Estas velocidades están simultáneamente por debajo, en y por encima de la velocidad del sonido, que van desde Mach 0.8 a 1.2 (273-409 m / s; 980-1,470 km / h; 609-914 mph). Los aviones transónicos casi siempre han barrido las alas, causando el retraso de la divergencia de arrastre, y son impulsados por motores a reacción.
La siguiente categoría es supersónico aeronave. Estas son embarcaciones que pueden ir más allá de la compresión del aire que es la "barrera del sonido". Estas naves generalmente tienen un número de Mach de entre 1 y 5 (410-1,702 m / s; 1,470-6,126 km / h; 915-3,806 mph). Las aeronaves diseñadas para volar a velocidades supersónicas muestran grandes diferencias en su diseño aerodinámico debido a las diferencias radicales en el comportamiento de los flujos por encima de Mach 1.
Estos incluyen bordes afilados, secciones del ala delgadas y estabilizadores de cola (también conocidos como aletas) o canards (alas anteriores) que son capaces de ajustarse. Las embarcaciones que generalmente tienen esta designación incluyen aviones de combate modernos, aviones espías (como el SR-71 Blackbird) y el mencionado Concorde.
La última categoría es hipersónica, que se aplica a las aeronaves que pueden superar la velocidad de Mach 5 y pueden alcanzar velocidades tan altas como Mach 10 (1,702–3,403 m / s; 6,126–12,251 km / h; 3,806–7,680 mph). Muy pocos aviones pueden moverse a tales velocidades y tienden a ser impulsados por cohetes (como el X-15), scramjets (como el X-43 o HyperX) o naves espaciales que están en proceso de abandonar la atmósfera de la Tierra.
Otro ejemplo son los objetos que ingresan a la atmósfera de la Tierra. Estos pueden tomar la forma de naves espaciales que realizan el reingreso, o meteoritos que han pasado y se han roto en la atmósfera de la Tierra. Por ejemplo, el meteorito que entró en los cielos sobre la pequeña ciudad de Chelyabinsk, Rusia, en febrero de 2013, viajaba a una velocidad de aproximadamente 19.16 ± 0.15 km / s (68,436 - 69,516 km / h; 42,524 - 43,195 mph) .
En otras palabras, ¡el meteorito viajaba entre Mach 55 y 56 cuando golpeó nuestra atmósfera! Dada su tremenda velocidad, cuando el meteorito alcanzó los cielos sobre Chelyabinsk, creó un boom sónico tan poderoso que causó daños extensos a miles de edificios en seis ciudades de la región. Este daño, que incluyó muchas ventanas explosivas, resultó en 1,500 personas heridas.
Entonces, ¿qué tan rápido es Mach One? La respuesta corta es que depende de dónde se encuentre. Pero en general, es una velocidad que supera los 1200 km / ho 750 mph. Si eres capaz de ir tan rápido, estarás rompiendo la barrera del sonido, ¡y las personas a kilómetros de distancia lo escucharán!
Hemos escrito muchos artículos interesantes sobre el sonido aquí Space Magazine. Aquí está ¿Qué es el sonido ?, ¿Cuál es el jet más rápido del mundo ?, ¿Qué es la resistencia del aire ?, ¿y cómo suena la NASA?
Para obtener más información, consulte el artículo de la NASA sobre el número de Mach, y aquí hay un enlace a una lección sobre el número de Mach.
Hemos grabado un episodio de Astronomy Cast sobre el transbordador espacial. Escucha aquí, Episodio 127: El transbordador espacial estadounidense.
Fuentes:
- NASA - Número de Mach
- Wikipedia - Número de Mach
- Aerospaceweb: velocidad del sonido, número de máquina y barrera del sonido
