Física

Ondas de Choque

Publicado por Monica González

La supersónica, que no debe ser confundida con la ultrasónica, es el estudio de los efectos que pueden producir aquellos objetos que se mueven en un medio a una velocidad superior a las ondas que generan.

 

Nada puede moverse muy rápidamente a través de un sólido, e inclusive los más creativos inventores se atreven a soñar con un submarino que se mueva en el agua con una velocidad superior a la del sonido.

 

Así entonces, los problemas prácticos de la supersónica se limitan esencialmente a los relacionados con los aviones y proyectiles que se mueven en el aire a una velocidad superior a la del sonido.

 

En este caso, el objeto móvil acumula perturbaciones y ondas más de prisa de lo que ellas pueden ser transmitidas a lo largo del camino, causando una región única de gran perturbación, denominada onda de choque.

 

El fenómeno que tiene lugar detrás de la onda de choque puede ser estudiado en una forma más simple y mucho menos violenta, considerando la onda en arco de un barco que se mueve a una velocidad superior a la de las ondas superficiales que genera.

 

Veamos este barco, representado en la Figura a continuación que se mueve con velocidad Vb y se movió desde A hasta C en un intervalo de tiempo durante el cual la onda superficial que fue generada en A se mueve desde A hasta A’ con una velocidad V0.

 

Análogamente, la onda generada en B llegó en el mismoinstante en B’ y lo mismo para un número infinito de puntos que podrían ser analizados entre A y C.

 

El ángulo α formado por la onda de arco y la dirección del movimiento del arco depende de la relación entre las velocidades de las ondas y del barco.

 

 

Consideramos, como ejemplo, un barco que navega a 20 nudos (1 nudo = 1 milla marítima por hora = 1,151 millas por hora = 1,84 Km/h) y genera ondas cuya velocidad de propagación es 8 nudos.

 

El ángulo α formado por la trayectoria del barco y el frente de onda de choque es dado por:

 

 

Un avión que vuela a una velocidad superior a la del sonido crea en el aire una perturbación similar. Ahora, en el lugar de una onda frontal de choque que forma una V sobre la superficie del agua, se forma en el aire un cono gigante, ya que las ondas generadas por el avión se propagan en todas las direcciones.

 

Sobre la superficie del cono, donde las ondas se acumulan, hay una diferencia brusca de presión. Cuando ese cono (llamado cono de mach”, en honor al físico Ernst Mach) alcanza una casa, produce un sonido análogo al de un fuerte trueno y puede ser bastante fuerte al punto de romper vasos y vidrios de ventana.

 

Estos estampidos son familiares a quien vive en ciudades sobrevoladas por aviones supersónicos.

 

El semiángulo α del cono está dado naturalmente por la misma relación aplicada al caso de la onda de arco de un barco:

 

 

Las velocidades supersónicas son dadas en función de su “número de Mach”, que es simplemente la razón de la velocidad del avión por la velocidad del sonido.

 

Así por ejemplo, un número de Mach igual a 1,5 significa una velocidad una vez y media mayor que la del sonido. Una velocidad de Mach no puede ser convertida directamente en km/h sin disponer de más datos, porque la propia velocidad del sonido varía, principalmente con la temperatura. En un día agradable de verano, próximo a la superficie terrestre, la velocidad Mach1 (velocidad del sonido) puede ser aproximadamente 1200 km/h; a una altura de 9000 metros, en un día similar, la temperatura puede ser de -56ºC y a esta baja temperatura una velocidad Mach1 sería de unos 1024 km/h. Si la velocidad de un avión, o de un proyectil, viene dada en unidades Mach, se deduce que:

 

 

Figura 1: Ondas en arco de un barco que se mueve con una velocidad superior a la propagación de las ondas generadas en la superficie del agua.

 

 

Figura 2: Cono de una onda de choque (Mach) generado por el movimiento de un avión que se mueve con una velocidad superior a la del sonido.

 

 

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