¿Qué es una barrera de sonido? Rompiendo la barrera del sonido. ¿Quién fue el primero en romper la barrera del sonido? Velocidad de la barrera del sonido
El primer piloto en romper la barrera del sonido fue Charles Yeager, quien voló un Bell X-1 en el otoño de 1947. En la Unión Soviética, esta hazaña fue repetida por los pilotos Fedorov y Sokolovsky, quienes pilotaron el caza LA-176 a una altura de más de 15 mil metros. La velocidad supersónica de la embarcación era de 1104 km/h, a la que podía viajar unos mil kilómetros sin repostar. El número de Mach es la relación entre la velocidad del sonido y la velocidad a la que se mueve el avión. Lleva el nombre del famoso físico austriaco Ernst Maievsky, quien estudió las causas de las ondas de choque y los procesos aerodinámicos durante el movimiento supersónico de los cuerpos.
¿Qué es una barrera de sonido?
En aerodinámica se denomina barrera del sonido a un conjunto de fenómenos que acompañan el movimiento de una aeronave a la velocidad del sonido (340 m/s) o superior. El estampido sónico es causado por picos de presión y va acompañado de un "estallido" percibido por el observador como el sonido de una explosión. Como resultado de la crisis de las olas, la naturaleza del flujo alrededor de la aeronave cambia, aparecen vibraciones y fuerza de elevación y el aumento de la resistencia.
La necesidad de superar la barrera del sonido surgió durante la Segunda Guerra Mundial, cuando muchos pilotos notaron que a medida que aumentaba la velocidad de un avión de combate, su capacidad de control y otras características importantes, como el ajuste de alerones y timones de aire, se deterioraban. Los pilotos de aviones tipo pistón, que intentaban desarrollar velocidades máximas, se enfrentaban inevitablemente a una crisis de olas, de la que no era posible salir sin bucear.
Un papel importante en la tarea de explicar y superar la barrera del sonido fue desempeñado por trabajo científico dedicado al estudio del movimiento de gases supersónicos.
Mientras el avión se mueve a baja velocidad (hasta 420 km/h) a una altitud de hasta 3.000 metros, es bastante fácil calcular los parámetros de vuelo exactos. Sin embargo, en el caso de que una aeronave supere la barrera del sonido, no sólo desciende la temperatura por la borda, sino también la densidad del medio aéreo. Cuando los instrumentos muestren lecturas de velocidad equivalentes a 2.000 metros y 10.000 metros, la velocidad real será mayor en el aire.
Velocidad de vuelo supersónico
A la velocidad del sonido, el espacio aéreo deja de ser homogéneo y dificulta mucho el movimiento de aeronaves a baja velocidad. Se crea un entorno en el que se producen ondas de choque y un cambio en la naturaleza del flujo alrededor de la aeronave, lo que crea los requisitos previos para una crisis de ondas. La onda de choque aumenta la entropía del gas, que disminuye en el proceso de atravesar la barrera del sonido.
Características del vuelo supersónico
La transición a la velocidad supersónica va acompañada de una onda de choque que surge de la diferencia de presión. Si dura más de un segundo, es posible que el fuselaje de la nave no resista tales cargas, lo que provocará su caída. Si observa el avión rompiendo la barrera del sonido en el video, puede ver que casi todas las ventanas de los edificios residenciales ubicados en la superficie de la tierra son destruidas por la onda expansiva.
Después de que el piloto estadounidense Charles Yeager lograra romper la barrera del sonido por primera vez, quedó impactado por el “silencio divino” que reinaba en la cabina. En el momento en que la flecha del machímetro logra superar la marca de 1,0, la presión sonora en el interior del recipiente disminuye notablemente. Sin embargo, aumenta el riesgo de deformación del fuselaje y otras partes de la aeronave.
La energía (intensidad) de la onda de choque está influenciada por las condiciones ambientales, caracteristicas de diseño avión y su velocidad. A los pilotos de los transatlánticos hipersónicos "Concorde" y "TU-144" se les permitió romper la barrera del sonido exclusivamente sobre la superficie del océano en un espacio aéreo varios miles de metros más alto que la altura de movimiento de los aviones de aviación civil estándar.
¿Alguna vez has escuchado un estallido de un avión que pasa la barrera supersónica?
síNo
¿Qué le sucede a un avión cuando rompe la barrera del sonido?
¿Qué le sucede a un avión cuando alcanza la velocidad del sonido? Comienza la formación de ondas de choque, que aparecen en la sección de cola de la aeronave, en los bordes trasero y frontal, así como en la punta del fuselaje. La onda de choque tiene un espesor muy pequeño y el frente de la onda de choque se caracteriza por cambios cardinales que ocurren con las propiedades del flujo. Sus indicadores de velocidad disminuyen en relación con el cuerpo, y la velocidad adquiere propiedades subsónicas. La energía cinética se transforma parcialmente en gas (interna).
El estallido de un avión supersónico es un "boom sónico" que ocurre debido a aumentos repentinos en la presión del aire. El pop proviene del paso de la ola principal y es percibido por el oyente cada vez que un avión pasa por encima.
La escala de tales cambios es directamente proporcional a la velocidad del flujo hipersónico. El número de Mach en este caso supera los 5, y los indicadores de temperatura aumentan considerablemente, lo que provoca una serie de problemas para los aviones que se mueven a velocidades supersónicas. La falla de contención térmica provocó que el transbordador de transporte espacial reutilizable de la NASA Columbia se estrellara en 2003. El transbordador estaba entrando en la atmósfera terrestre para aterrizar y fue dañado por una onda de choque de alta intensidad.
Avión supersónico de pasajeros ruso
El primer avión de pasajeros en romper la barrera del sonido es el TU-144, construido por ingenieros de la Oficina de Diseño de Tupolev. Para superar la barrera del sonido, el transatlántico se fabricó en forma de un avión de ala baja sin cola equipado con plantas de energía. El TU-144 fue privado de los flaps y slats familiares a los aviones de la generación anterior, y la transición al modo hipersónico se llevó a cabo gracias a un complejo procedimiento de redistribución de combustible a los tanques de centrado traseros.
Bombardero supersónico de gran altitud Valkyrie
El bombardero de gran altura Valkyrie XB-70 supera sin dificultad la barrera del sonido, alcanzando velocidades superiores a Mach 3 (3.673 km/h) y elevándose a una altura de más de 20.000 metros. Para moverse a velocidad hipersónica, los diseñadores se vieron obligados a reducir el peso de despegue, así como a transferir la aeronave a pentaborano (mezcla de combustible de boro), que ha aumentado la energía de combustión. El bombardero es un "sin cola" hecho de acero para herramientas de alta resistencia.
¿Por qué un avión rompe la barrera del sonido acompañado de un pop explosivo? ¿Y qué es una "barrera del sonido"?
Hay un malentendido con "algodón" causado por un malentendido del término "barrera de sonido". Este "clap" se llama propiamente "boom sónico". Un avión que se mueve a velocidad supersónica crea ondas de choque, picos de presión de aire, en el aire circundante. Simplistamente, estas ondas se pueden imaginar como un cono que acompaña el vuelo de un avión, con un vértice, por así decirlo, atado a la punta del fuselaje, y generadores dirigidos contra el movimiento del avión y propagándose bastante lejos, por ejemplo, a la superficie de la tierra.
Cuando el límite de este cono imaginario, que denota el frente de la onda de sonido principal, llega al oído humano, el oído percibe un fuerte salto de presión como un estallido. El estampido sónico, como uno atado, acompaña todo el vuelo de la aeronave, siempre que la aeronave se mueva lo suficientemente rápido, aunque a una velocidad constante. El algodón, en cambio, parece ser el paso de la onda de choque del sonido principal sobre un punto fijo de la superficie terrestre, donde, por ejemplo, se encuentra el oyente.
En otras palabras, si un avión supersónico con una velocidad constante pero supersónica comenzara a volar de un lado a otro sobre el oyente, el aplauso se escucharía cada vez, algún tiempo después de que el avión volase sobre el oyente a una distancia bastante cercana.
Una "barrera del sonido" en aerodinámica se llama un salto brusco en la resistencia del aire que ocurre cuando un avión alcanza una cierta velocidad límite cercana a la velocidad del sonido. Cuando se alcanza esta velocidad, la naturaleza del flujo de aire alrededor de la aeronave cambia drásticamente, lo que en un momento hizo muy difícil alcanzar velocidades supersónicas. Un avión subsónico convencional no es capaz de volar de manera sostenible más rápido que el sonido, sin importar cómo se acelere; simplemente perderá el control y se desmoronará.
Para superar la barrera del sonido, los científicos tuvieron que desarrollar un ala con un perfil aerodinámico especial e idear otros trucos. Es interesante que el piloto de un avión supersónico moderno sienta bien la "superación" de la barrera del sonido por parte de su avión: al cambiar a un flujo supersónico, se siente un "impacto aerodinámico" y "saltos" característicos en la capacidad de control. Pero estos procesos no están directamente relacionados con los “estallidos” sobre el terreno.
Antes de que el avión rompa la barrera del sonido, se puede formar una nube inusual, cuyo origen aún no está claro. Según la hipótesis más popular, hay una caída de presión cerca de la aeronave y el llamado Singularidad de Prandtl-Glauert seguido por la condensación de gotas de agua del aire húmedo. En realidad, puedes ver el condensado en las siguientes imágenes...
Haga clic en la imagen para ampliarla.
La barrera del sonido es un fenómeno que ocurre durante el vuelo de un avión o cohete en el momento de la transición de velocidad de vuelo subsónica a supersónica en la atmósfera. Cuando la velocidad del avión se acerca a la velocidad del sonido (1200 km/h), aparece una zona delgada en el aire frente a él, en la que hay un fuerte aumento de la presión y la densidad del aire. Esta compactación del aire frente a un avión en vuelo se denomina onda de choque. En el suelo, el paso de una onda de choque se percibe como un estallido, similar al sonido de un disparo. Habiendo superado la velocidad del sonido, el avión pasa a través de esta área de mayor densidad de aire, como si la perforara, supera la barrera del sonido. Durante mucho tiempo, romper la barrera del sonido se consideró un problema grave en el desarrollo de la aviación. Para solucionarlo, fue necesario cambiar el perfil y la forma del ala de la aeronave (se volvió más delgada y en flecha), hacer que la parte delantera del fuselaje fuera más puntiaguda y equipar la aeronave con motores a reacción. Por primera vez, la velocidad del sonido fue superada en 1947 por C. Yeager en un avión Bell X-1 (EE. UU.) con un motor cohete de combustible líquido lanzado desde un avión Boeing B-29. En Rusia, el primero en superar la barrera del sonido en 1948 fue el piloto O. V. Sokolovsky en un avión experimental La-176 con motor turborreactor.
Video.
Velocidad del sonido.
Velocidad de propagación (relativa al medio) de pequeñas perturbaciones de presión. En un gas perfecto (por ejemplo, en aire a temperatura y presión moderadas) S. z. no depende de la naturaleza de la pequeña perturbación que se propaga y es la misma tanto para oscilaciones monocromáticas de diferentes frecuencias () como para ondas de choque débiles. En un gas perfecto, en el punto considerado del espacio, el S. z. a depende únicamente de la composición del gas y de su temperatura absoluta T:
a = (dp/d(())1/2 = ((()p/(())1/2 = ((()RT/(())1/2,
donde dp/d(() es la derivada de la presión con respecto a la densidad para un proceso isoentrópico, (-) es el exponente adiabático, R es la constante universal de los gases, (-) es el peso molecular (en aire a 20.1T1/ 2 m/s a 0 (°)C a = 332 m/s).
En un gas con transformaciones fisicoquímicas, por ejemplo, en un gas disociado, S. h. dependerá de cómo, en equilibrio o fuera de equilibrio, se desarrollen estos procesos en la onda de perturbación. En el equilibrio termodinámico S. h. depende únicamente de la composición del gas, su temperatura y presión. En el curso de no equilibrio de los procesos físicos y químicos, tiene lugar la dispersión del sonido, es decir, S. z. depende no solo del estado del medio, sino también de la frecuencia de las oscilaciones (). Las oscilaciones de alta frecuencia ((tt), ()) - tiempo de relajación) se propagan desde un S. z congelado. aj, baja frecuencia ((,) 0) - con equilibrio S. z. ae, y aj > ae. La diferencia entre aj y ai suele ser pequeña (en el aire a T = 6000(°)C y p = 105 Pa, es de alrededor del 15%). En los líquidos de S. h. mucho mayor que en gas (en agua a 1500 m/s)
