Il problema del boom sonico - Katerina Kaouri

Guarda la lezione intera: http://ed.ted.com/lessons/what-causes-sonic-booms-katerina-kaouri

Gli oggetti che volano più veloci della velocità del suono (come gli aerei molto veloci) creano delle onde d'urto seguite da un rumore simile al tuono; il boom sonico. Questi epici suoni possono dare fastidio alle persone e agli animali e anche danneggiare gli edifici nelle vicinanze. Katerina Kaouri spiega nel dettaglio come gli scienziati usino la matematica per prevedere i percorsi dei boom sonici nell'atmosfera, dove atterreranno e quanto saranno rumorosi.

Lezione di Katerina Kaouri, animazione di Anton Bogaty.

L'uomo è stato per secoli
affascinato dalla velocità.

Quella dei progressi umani è una storia
di sempre maggiore velocità,

e uno dei più importanti traguardi
in questa storica gara

è stato quello di abbattere
la barriera del suono.

Poco dopo i primi voli aerei

i piloti furono ansiosi di spingere
i loro mezzi ad andare sempre più veloci.

Ma così facendo, aumentava la turbolenza

e forze maggiori sull'aereo

impedivano loro
di accelerare ulteriormente.

Alcuni cercarono di superare il problema
con picchiate rischiose,

spesso con risultati tragici.

Infine, nel 1947, migliorie di ideazione

come lo stabilizzatore orizzontale mobile,
la coda a pieno movimento

permisero a un pilota militare americano
di nome Chuck Yeager

di volare con il velivolo Bell X-1
a 1127 km/h

diventando la prima persona
a rompere la barriera del suono

e viaggiare più rapido
della velocità del suono.

Il Bell X-1 fu il primo di una lunga serie
di velivoli supersonici

con progetti successivi che raggiunsero
velocità superiori a Mach 3.

Un velivolo che viaggia a velocità
supersonica crea un'onda d'urto

con un rumore simile al tuono
noto come boom sonico

che può dare fastidio alle persone
e agli animali che sono a terra

o anche danneggiare gli edifici.

Perciò,

gli scienziati nel mondo
hanno indagato sui boom sonici

cercando di predire il loro percorso
nell'atmosfera,

dove atterreranno,
e quanto saranno rumorosi.

Per capire meglio come gli scienziati
studiano i boom sonici,

iniziamo con qualche nozione di base
sul suono.

Immaginate di lanciare una piccola pietra
in uno stagno con acqua ferma.

Cosa vedete?

La pietra crea delle onde
che viaggiano nell'acqua

alla stessa velocità in ogni direzione.

Questi cerchi che continuano a crescere
di raggio si chiamano fronti dell'onda.

Allo stesso modo, anche se non la vediamo

una fonte sonora fissa,
come uno stereo in casa

crea delle onde sonore
che viaggiano verso l'esterno.

La velocità delle onde dipende da fattori

quali l'altitudine e la temperatura
dell'aria attraverso cui si muovono.

Al livello del mare, il suono viaggia
a circa 1225 km/h.

Ma invece di cerchi su una
superficie bi-dimensionale,

i fronti dell'onda sono adesso
sfere concentriche,

con il suono che viaggia lungo raggi
perpendicolari a queste onde.

Immaginate ora una fonte sonora
in movimento, come il fischio di un treno.

Mentre la fonte continua a muoversi
in una certa direzione,

le onde successive di fronte ad essa
si raggrupperanno più vicine.

Questa maggiore frequenza d'onde
è la causa del famoso effetto Doppler,

per cui gli oggetti che si avvicinano
hanno tono sonoro più alto

Ma finchè la fonte sonora si muove
più piano che le onde stesse,

resteranno annidate l'una nell'altra

Quando un oggetto diviene supersonico,
viaggiando più veloce del suono che fa,

la situazione cambia drasticamente.

Mentre supera le onde sonore che ha emesso

ne genera di nuove dalla posizione attuale

le onde vengono costrette ad assemblarsi
formando un cono Mach.

Non si sentono suoni
quando l'oggetto si avvicina

poichè viaggia più veloce del suono
che produce.

Solo dopo che l'oggetto è passato
l'osservatore sentirà il boom sonico.

Dove il cono Mach incontra
il terreno, forma un'iperbole

lasciando al suo passaggio una traccia
nota come "tappeto di rimbombo"

Ciò rende possibile determinare l'area
interessata dal boom sonico.

Come si fa a capire quanto sarà forte
un boom sonico?

Bisogna risolvere le famose
equazioni di Navier-Stokes

per trovare la variazione
della pressione nell'aria

dovuta al velivolo supersonico
che ci vola attraverso.

Ne deriva la il segno della pressione
noto come onda-N.

Cosa vuol dire questa forma?

Il boom sonico si verifica in presenza
di un improvviso cambiamento di pressione

e l'onda-N implica due boom:

uno per l'iniziale innalzamento
di pressione all'estremità del velivolo,

e un altro quando passa la coda,

e la pressione improvvisamente
ritorna normale.

Ciò causa un doppio boom,

ma viene solitamente sentito
dall'orecchio umano come singolo.

In pratica, i computer usando
questi principi creano modelli

che spesso possono predire luogo
e intensità dei boom sonici

date certe condizioni atmosferiche
e traiettorie di volo,

la ricerca per mitigare i loro effetti
è costante.

Intanto il volo supersonico
sopra la terraferma rimane vietato.

Ma allora, i boom sonici sono
un'invenzione recente?

Non proprio.

Mentre cerchiamo soluzioni
per renderli silenziosi,

alcuni animali li hanno usati
a loro vantaggio.

Il gigante Diplodoco potrebbe essere stato
capace di schioccare la sua coda

più veloce del suono, a oltre 1200 km/h,
probabilmente per spaventare i predatori.

Anche alcuni tipi di gamberetti
possono creare

una simile onda d'urto sott'acqua

stordendo o anche uccidendo le prede
a distanza

con appena uno schiocco
della loro enorme chela.

Mentre noi umani
abbiamo fatto grandi progressi

nella nostra ostinata ricerca di velocità

a quanto pare la natura
è arrivata prima.