La física de la caída libre supersónica y la carrera por construir un Concorde más tranquilo

Si desea construir un cohete con un nuevo diseño audaz, debe tener una forma de probar su integridad estructural sin instalar un motor. No tienes un túnel de viento, pero no estás listo para ceder. Usted piensa: “¿Qué es el vuelo sin propulsión?” Luego responde a su propia pregunta: “Cayendo”. En pocas palabras, la forma más fácil de volar sin lanzar es caer en picado. Tome un prototipo muy alto, suéltelo y tendrá una idea de su rendimiento a gran velocidad.

El principal experto en el mundo del arte de la caída de precisión es la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón, o JAXA, que es básicamente la versión de Japón de la NASA. La agencia está tratando de construir un plano supersónico práctico, lo cual no es fácil. Esfuerzos similares en el pasado crearon productos mediocres, el más famoso Concorde.

El Concorde estaba plagado de problemas que impedían que otros aviones de pasajeros adoptaran el mismo tipo de diseño para su propia nave. Uno de los mayores problemas fue el exceso de ruido. El término "boom sónico" no es un nombre inapropiado: romper la barrera del sonido es un fenómeno increíblemente ruidoso. Los fabricantes tuvieron que diseñar el avión para evitar que las cabezas de los pasajeros explotaran, y los aviones no podían volar el avión por tierra, ya que ningún ser humano en el suelo quiere ser sometido a sonidos tan destructivamente altos. El objetivo de JAXA es crear un avión de pasajeros supersónico más silencioso. Y su prueba a través de pruebas de caída con un modelo experimental en Suecia.

¿Cómo diablos funciona eso? Básicamente, un globo eleva el modelo de avión no tripulado: el Silent SuperSonic Concept Model de JAXA a unas 18.6 millas de altura en el aire, y simplemente lo deja caer. Los sensores conectados al plano miden las ondas de choque cuando el avión se acerca a velocidades de hasta Mach 1.39 en caída libre.

La física de una caída libre supersónica no es tan diferente de cómo funciona un objeto que se mueve más rápido que el sonido en un plano horizontal. El aire se comprime poderosamente en frente del avión, que inunda una ola de alta presión en todas las direcciones. Esta onda de choque comienza a propagarse por el aire, pero se debilita a medida que avanza, convirtiéndose en una onda de sonido en el proceso. Esta es la fuerte explosión que escuchamos y llamamos un boom sónico.

Para comprender qué tiene de especial una caída libre supersónica, debemos observar más de cerca a qué se refieren exactamente los números de Mach: la relación entre la velocidad del objeto y la velocidad del sonido en un lugar en particular. Y la velocidad del sonido está sujeta a cambios en la temperatura y la presión; a mayores altitudes, la velocidad del sonido disminuye, por lo que un objeto no necesita viajar necesariamente a la misma velocidad para alcanzar Mach 1 a una docena de millas en el aire, ya que Lo hace a nivel del mar. (La velocidad del sonido a nivel del mar es de aproximadamente 760 millas por hora).

Además, Mach 1 es un entorno altamente inestable debido a la onda de choque creada al romper la barrera del sonido. Incluso pequeños movimientos pueden tener efectos físicos muy fuertes en el objeto. El peor lugar para estar es básicamente entre Mach 0.9 y 1.2.

Entonces, cuando un objeto se está moviendo a velocidades supersónicas en caída libre, está en la posición inusual de acelerar más rápido, mientras que su número de Mach aumenta a un ritmo más lento. Se pasa más tiempo en la zona de Mach inestable que si se estuviera moviendo en un plano horizontal. La mayoría de los aviones están diseñados para moverse más allá de Mach 1 e ingresar a una zona segura lo más rápido posible. No puedes probar algo así en un experimento de caída libre.

La velocidad también se remata debido a la fricción. Esto es lo que sucedió en el caso más famoso de un objeto que se mueve más rápido que el sonido por medio de la gravedad: el salto de Felix Baumgartner en 2012 desde aproximadamente 23 millas en el aire, para convertirse en el primer buceador del cielo en romper la barrera del sonido sin el uso. de una aeronave. Cuando Baumgartner cayó a la Tierra, finalmente dejó de acelerar debido a la colisión con las moléculas de aire, creando una "fuerza de arrastre" que se acumuló como resistencia del aire hasta que se hizo igual y opuesta a la fuerza de la gravedad. En este punto, Baumgartner había alcanzado una velocidad máxima.

De hecho, mientras que la mayoría de los objetos que alcanzan la velocidad terminal simplemente se mantendrían a una velocidad constante, Baumgartner realmente comenzó a disminuir la velocidad, ya que la atmósfera circundante comienza a volverse más y más gruesa a medida que un objeto en caída libre se mueve hacia abajo. Así que la velocidad terminal comienza a disminuir, lo que significa que Baumgartner también comenzó a disminuir. Lo mismo le pasaría a uno de los planos del modelo Silent SuperSonic Concept que JAXA está probando.

La ciencia, como la mayoría de las otras cosas en la vida, es más fresca cuando es más rápida.