La barrera del sonido y vuelos supersónicos: mitos y verdades

Los vuelos supersónicos suscitan interés por lo exóticos que son y lo que implican: la barrera del sonido, las ondas de choque, el boom sónico… Los que estén más puestos en el tema sabrán perfectamente de lo que hablo.

Sin embargo, para la mayoría de gente estos son conceptos difusos, que quizás han oído alguna vez pero que no están del todo claros. Además, dichos términos son utilizados con frecuencia de forma incorrecta o poco precisa, así que el objetivo de este artículo es intentar dar un poco de luz al asunto explicándolo de la manera más simple posible.

¿Por qué se habla de la “barrera del sonido”?

Remontémonos unos cuantos años atrás. Con el desarrollo de los primeros motores a reacción durante la Segunda Guerra Mundial, llegó una revolución al mundo de la aviación. Los aviones eran capaces de volar cada vez más alto y cada vez más rápido. Parecía que nada podía parar la mejora de prestaciones hasta que pilotos e ingenieros se toparon con la barrera del sonido.

Pronto se dieron cuenta de que por muy potentes que fueran los nuevos propulsores, no conseguían acercarse a la velocidad del sonido: por un lado los motores iban perdiendo potencia conforme se acercaban a Mach 1, y por otro lado la resistencia aerodinámica aumentaba exponencialmente por culpa de las ondas de choque. En aquel entonces se pensaba que la velocidad del sonido era infranqueable, algo físicamente imposible de superar. De ahí el nombre «barrera del sonido».

el avion X-1 fue el primero en romper la barrera del sonido
El X-1, primer avión de la historia en superar Mach 1

¿Quién fue el primero en superar la barrera del sonido?

El primero en conseguirlo, en octubre de 1947, fue el avión experimental X-1, diseñado especialmente para el propósito de romper la barrera del sonido. Además, este fue el primer avión que los EEUU construía con el único fin de investigar en el campo de la aeronáutica, y sentó un precedente que ha llevado a una lista de más de 50 «aviones X».

Como curiosidad, el primer hombre en conseguir volar por encima de Mach 1 fue Chuck Yeager, un antiguo piloto de la Fuerza Aérea estadounidense que obtuvo numerosas condecoraciones por su destreza en los combates aéreos durante la Segunda Guerra Mundial.

Pero no nos desviemos mucho del tema. Con el X-1 se demostró así que físicamente era posible ir más rápido que el sonido. Y fue gracias a este avión que realmente se pudo empezar a profundizar en la investigación del vuelo supersónico, pero eso lo dejo para otro post.

¿Qué tenía el X-1 que no tenían otros para superar la barrera del sonido?

La respuesta es simple: un motor cohete. Hemos dicho antes que la barrera del sonido era difícil de franquear debido a dos problemas:

  • La potencia de los motores convencionales disminuye cuando el avión se acerca a la velocidad del sonido.
  • La resistencia aerodinámica también aumenta exponencialmente por las ondas de choque.

Los motores a reacción que empezaron a desarrollarse en los años 40 fueron toda una revolución en prestaciones, pero perdían eficiencia rápidamente a altas velocidades. Por tanto, no eran capaces de generar empuje suficiente para romper la barrera del sonido.

¿Cuál era el problema? El principio de un motor a reacción es absorber aire del exterior, acelerarlo mediante la combustión y expulsarlo «hacia atrás». Pero estos motores dejan de funcionar bien (o directamente dejan de funcionar) si el flujo de aire que reciben es supersónico, básicamente porque los compresores del motor no funcionan en estas condiciones.

motor cohete
Motor cohete desarrollado por la NASA en fase experimental.

Los motores cohete funcionan de otra manera. No necesitan aire del exterior para generar empuje, porque lo llevan almacenado dentro. Y con el diseño adecuado de la tobera de expulsión de gases, pueden alcanzar empujes brutales independientemente de las condiciones exteriores. Es decir, da igual la altitud o la velocidad a la que esté volando el avión, el motor va a proporcionar el mismo empuje. De hecho, por este motivo se utilizan en los cohetes espaciales.

De esta manera el X-1 fue capaz de propulsarse por encima de Mach 1, a pesar del incremento de resistencia aerodinámica provocado por las ondas de choque.

¿Qué son las ondas de choque?

ondas de choque en un avion
Ondas de choque sobre un modelo de avión a Mach 1.2

Para entender el crecimiento exponencial de la resistencia aerodinámica hay que comprender las ondas de choque. Este fenómeno se produce debido a variaciones brutales de la presión del aire. Por poner un ejemplo sencillo: si tienes un cubo lleno de agua, abres la palma de tu mano y golpeas con todas tus fuerzas la superficie del agua oirás un ruidoso “splash” (y seguramente duela un poco). Si repites el experimento pero golpeando sólo con la punta de un dedo, no solo no te dolerá sino que no oirás ningún ruido estruendoso, ¿verdad?

La razón es que con la mano abarcas una gran superficie, y las partículas de agua que se encuentran en la zona del impacto no tienen espacio ni tiempo para “apartarse”, por lo que el agua da la sensación de “endurecerse”. Cuando haces lo mismo con el dedo, el agua puede adaptarse al impacto y acomodarse alrededor del dedo, sin ruido ni dolor.

Con el aire pasa lo mismo: al volar en régimen subsónico, el aire tiene tiempo de apartarse y adoptar la forma del avión que lo atraviesa. En supersónico no, el avión “choca” irremediablemente contra el aire, generando variaciones enormes de presión. Es lo que se conoce como onda de choque, y es lo que provoca el aumento brutal de resistencia aerodinámica. De ahí que los aviones supersónicos sigan todos un mismo patrón: cuerpos esbeltos, alas en flecha y morros muy afilados.

El boom sónico

Como decía, las ondas de choque son variaciones de presión bestiales, lo que se traduce como un gran estruendo para tus oídos. Es el mismo fenómeno que la “onda expansiva” de una explosión.

Incorrectamente se define boom sónico en la cultura popular como el ruido que hace un avión “al atravesar la barrera del sonido”. De ahí que mucha gente piense que la explosión se oye únicamente cuando el avión pasa Mach 1 y después deja de oírse. Obviamente, si a Mach 1 hay ondas de choque, también las habrá (y más ruidosas) a Mach 2. Por lo tanto, el boom sónico es un estruendo que se oye continuamente y que sólo dejará de oírse cuando el avión vuelva a régimen subsónico.

¿Por qué se percibe como una explosión?

Es algo que puede ser difícil de comprender, pero cuando un avión se mueve más rápido que el sonido, el ruido del mismo no llega a un observador hasta después de haber pasado. El siguiente esquema de Wikipedia me parece muy bueno para explicar esto. Los círculos verdes representan el sonido del avión, y se expanden a la velocidad del sonido. Como el avión vuela a más de Mach 1, las ondas de sonido se expanden por detrás de él, formando una característica forma de «cono».

representacion del boom sonico en un avion
Representación de las ondas de sonido llegando al observador (Pedro)

Pedro está observando un avión que vuela a Mach 3, ha pasado por encima de su cabeza pero no ha oído nada en un primer momento. Como el avión vuela en supersónico, está generando ondas de choque que se propagan de forma cónica en el espacio (círculos verdes). Conforme el avión avance, la onda de choque ira avanzando también y acabará alcanzando a Pedro un rato después de que el avión haya pasado. Como las ondas de choque son variaciones brutales de presión, en cuanto esta llegue a los oídos de Pedro, nuestro pobre amigo sentirá un estruendo casi doloroso.

Si el avión vuela muy alto, es posible que Pedro no escuche nada. Las ondas de choque se van amortiguando con la altitud y pueden llegar a resultar casi imperceptibles desde tierra. Además, dado que la temperatura influye en la velocidad del sonido, una onda de choque creada a gran altitud (donde hace mucho frío) perderá mucha intensidad cuando llegue al suelo debido a que el aire está más caliente. Pero bueno eso ya son conceptos más avanzados de termodinámica y tampoco es el objetivo del artículo.

El boom sónico: una imagen (o un sonido) vale más que mil palabras

El siguiente vídeo recoge el boom sónico del Concorde. Se ve claramente cómo el avión ya ha sobrevolado a los que se encuentran allí, cuando de pronto se oye una gran explosión. Impresionante, ¿verdad?

¿Y esa nube alrededor del avión cuando rompe la barrera del sonido?

¿Quién no ha visto alguna vez esta foto del F-18 envuelto en “humo”? El pie de foto suele rezar “un avión rompiendo la barrera del sonido”, y la gente suele pensar “qué suerte, cazado en el momento exacto”. Una vez más, esto no es del todo correcto. La nube es algo habitual cuando hay mucha humedad, ya que no es más que vapor de agua condensado.

Nube de condensacion en un F-18 al atravesar la barrera del sonido
Nube de condensación alrededor de un F-18

El fenómeno está ligado directamente a la aparición de las ondas de choque. Sin entrar mucho en detalles, tras una onda de choque se produce una bajada repentina y brusca de la presión, lo que permite que el vapor de agua en el aire se condense y forme una nube. Esto está relacionado con lo que se llama la singularidad de Prandtl-Glauert, y no es más que una ecuación física en la que hay una división por cero a Mach 1 (los más avispados en mates entenderán de qué hablo).

El fenómeno en sí no es tan raro, al fin y al cabo es común ver nubes de condesnación alrededor de los aviones de línea cuando despegan o aterrizan en días muy húmedos. Son observan con especial facilidad sobre las alas (extradós), ya que es ahí donde se produce una bajada de la presión del aire, lo que se traduce en sustentación.

nube de condensacion en un B757
B757 despegando con una nube de condensación sobre las alas
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