El problema del estampido sónico - Katerina Kaouri

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Los objetos que vuelan más rápido que la velocidad del sonido (como los aviones realmente rápidos) crean una onda de choque acompañada de un ruido como de trueno: el estampido sónico. Estos sonidos épicos pueden causar problemas a personas y animales, e incluso dañar edificios cercanos. Katerina Kaouri detalla cómo usan los científicos las matemáticas para predecir las trayectorias de los estampidos sónicos en la atmósfera, dónde van a aterrizar, y lo estruendoso que serán.

Lección de Katerina Kaouri, animación de Anton Bogaty.

A los humanos nos fascina
la velocidad desde siempre.

La historia del progreso humano
crece a pasos agigantados,

y uno de los logros más importantes
en esta carrera histórica

fue la ruptura de la barrera del sonido.

No mucho después de los primeros
vuelos exitosos de avión,

los pilotos tenían ansias
de más velocidad.

Pero a la vez, las intensas turbulencias

y la gran presión ejercitada sobre
el avión le impedían acelerar más.

Algunos trataron de eludir el problema
mediante inmersiones de riesgo,

a menudo con resultados trágicos.

Por último, en 1947, mejoras en el diseño

como un estabilizador
horizontal móvil y la cola móvil,

permitieron que un piloto militar
estadounidense llamado Chuck Yeager

volara el avión Bell X-1

a 1127 km/h.

convirtiéndose en la primera persona
en cruzar la barrera del sonido

y viajar más rápido que
la velocidad del sonido.

El Bell X-1 fue el primero de muchos
aviones supersónicos que siguieron,

con diseños posteriores que alcanzaron
velocidades por encima de Mach 3.

Volar a velocidad ultrasónica
crea una onda de choque

con un ruido como de trueno
conocido como estampido sónico,

que puede causar angustia
a la gente y animales en tierra

o incluso dañar edificios.

Por esta razón,

científicos de todo el mundo han
estudiado los estampidos sónicos,

tratando de predecir su
trayectoria en la atmósfera,

dónde van a aterrizar,
y lo estruendoso que será.

Para entender mejor cómo estudian
los científicos los estampidos sónicos,

empecemos con algunos
conceptos básicos del sonido.

Imagina que lanzas una piedra
pequeña en un estanque tranquilo.

¿Qué ves?

La piedra hace que las
ondas viajen en el agua

a la misma velocidad en cada dirección.

Estos círculos que siguen creciendo
en un radio se llaman frentes de onda.

Del mismo modo, aunque no lo veamos,

una fuente de sonido estacionaria,
como un equipo de música estéreo,

crea ondas sonoras que
viajan hacia el exterior.

La velocidad de las ondas
depende de factores

como la altitud y la temperatura
del aire por la que se mueven.

A nivel del mar, el sonido
viaja a unos 1225 km/h.

Pero en lugar de círculos en
una superficie bidimensional,

los frentes de onda ahora
son esferas concéntricas,

con el sonido que viaja en rayos en
forma perpendicular a estas ondas.

Imagina una fuente de sonido en
movimiento, como el silbato de un tren.

Conforme la fuente se sigue
moviendo en una cierta dirección,

las ondas sucesivas en su frente
se irán agrupando más y más.

Esta mayor frecuencia de la onda es
la causa del famoso efecto Doppler,

donde los objetos que se acercan
tienen sonido más agudo.

Siempre que la fuente se esté moviendo
más lento que las ondas sonoras,

permanecerán anidadas
una dentro de otra.

Cuando un objeto se vuelve supersónico,
se mueve más rápido que el sonido,

esa imagen cambia drásticamente.

A medida que supera las ondas
sonoras que ha emitido,

mientras genera nuevas ondas
desde su posición actual,

las ondas ejercen fuerzas mutuas
formando un cono de Mach.

No se oye sonido cuando
se aproxima a un observador

porque el objeto se desplaza más
rápido que el sonido que produce.

Solo después que el objeto ha pasado
el observador oirá el estampido sónico.

Cuando el cono de Mach toca
el suelo se forma una hipérbola,

dejando un rastro conocido como
alfombra auge conforme avanza.

Esto permite determinar el área
afectada por una explosión sónica.

¿Cómo se puede medir el estruendo
de un estampido sónico?

Para eso se deben resolver las
famosas ecuaciones de Navier-Stokes,

para encontrar la variación
de presión en el aire

producida por la aeronave
supersónica que lo atraviesa.

Esto da lugar a la firma de
presión conocida como onda N.

¿Qué significa esta figura?

Bueno, se produce el estampido sónico
si hay un cambio repentino en la presión,

y la onda N implica dos estampidos:

uno por el aumento de presión
inicial en la nariz de la aeronave,

y otro cuando pasa la cola

y la presión, de repente,
vuelve a la normalidad.

Esto provoca una doble estampida,

pero por lo general el oído humano
la escucha como una sola.

En la práctica, los modelos informáticos
que usan estos principios

a menudo pueden predecir la ubicación
y la intensidad de los estampidos sónicos

para condiciones atmosféricas
y trayectorias de vuelo dadas,

y hay investigaciones en curso
para mitigar sus efectos.

Mientras tanto, el vuelo supersónico
sobre la tierra sigue estando prohibido.

¿Son los estampidos sónicos
una creación reciente?

No exactamente.

Mientras tratamos de encontrar
maneras de silenciarlos

algunos otros animales han usado
estampidos sónicos en su beneficio.

El Diplodocus gigante pudo haber
sido capaz de agitar su cola

más rápido que el sonido,

a más de 1200 km/h, quizá
para disuadir depredadores.

Algunos tipos de camarones pueden crear
una onda de choque similar bajo el agua,

y aturdir o incluso matar
a la presa a distancia

con solo un chasquido de
sus garras de gran tamaño.

Así, mientras los humanos
hemos hecho grandes progresos

en nuestra búsqueda
incesante de velocidad,

resulta que la naturaleza
llegó allí antes.