Respuestas XXVI: ¿Qué es la velocidad del sonido?

Tomiche Alcázar pregunta hoy: ¿Por qué cuando un avión supera la velocidad del sonido le sale ese humillo o nube alrededor?

Ante nada, para el que no sepa de qué está hablando Tomiche, se refiere a esto:

Los fuselajes de los aviones están sometidos a grandes tensiones cuando alcanzan velocidades supersónicas y esto es porque se mueven más rápido de lo que el aire es capaz de apartarse frente a ellos. Es decir, que pasan de moverse a través del aire a viajar contra el aire. A lo mejor resulta difícil de visualizar, pero el siguiente ejemplo lo dejará claro como el agua.

Todos (o casi todos) sabemos tirarnos de cabeza a la piscina, ¿verdad? Nos abrimos paso con gracilidad a través de ella con los brazos y nuestros cuerpos siguen la trayectoria sin problema mientras sentimos el agua circulando a nuestro alrededor. Eso es el equivalente a lo que experimenta (más o menos) un avión durante el vuelo por debajo de la velocidad del sonido.

Por otro lado, probablemente habéis sentido también el picor de un planchazo al impactar planos contra la superficie del agua. Ahora imaginad un planchazo contra el agua pero, en vez de quedar flotando doloridos, seguís sumergiéndoos en el agua en la misma posición y con la misma fuerza durante kilómetros y kilómetros. El agua detrás de ti ya no fluye tranquilamente a tu alrededor, sino que se forma una estela de aire a tu espalda que queda atrapada por la corriente de líquido. Un planchazo infinito hacia las profundidades del mar: esa es la fuerza a la que está sometida un cuerpo a velocidades supersónicas (aunque con aire en vez de agua).

ACTUALIZACIÓN [04/01/2015]: Los fuselajes de los aviones supersónicos tienen formas muy aerodinámicas precisamente para minimizar la fuerza de este «planchazo» contra el aire.

¿Y qué tiene que ver esto con la famosa nube?

A velocidades subsónicas, un objeto desplaza el aire que tiene delante y éste se acumula detrás formando una «estela» de aire perturbado por el movimiento. Como se puede ver en la siguiente figura, el aire se comprime un poco frente a la bola y, al desplazarse hacia atrás, vuelve a expandirse y rellena el lugar que ocupaba antes el objeto.

Mis dibujos se irán volviendo gradualmente más cutres a menos que encuentre un patrocinador (ACTUALIZACIÓN 01/01/2015: pese a ello, siguen siéndolo).

A velocidades supersónicas, en cambio, el aire se acumula tanto frente a la bola que se comprime y no sale propulsado en cantidad suficiente alrededor del contorno de la bola como para rellenar el hueco que queda vacío detrás, así que el cuerpo va dejando en su estela un volumen con muy poco gas y, por tanto, a muy baja presión.

Segundo aviso.

Siempre que empiezas a hablar de presiones quiere decir que nos estamos acercando a la respuesta.

Efectivamente. Como he dicho muchas veces, las cosas a altas presiones tienden a calentarse y las que están a baja presión, a enfriarse.

En este caso, como he comentado antes, el objeto se mueve tan rápido que el aire se comprime frente a él, lo que provoca un aumento de la temperatura de éste. Este es el mismo efecto que calienta un meteorito al chocar contra la atmósfera, y no la fricción cómo solemos pensar. También hablaba de eso en esta otra entrada.

Detrás de la bola (o el avión, la tarta, o lo que sea), por tanto, no queda aire que rellene el hueco que ésta va dejando en la atmósfera y la presión baja lo suficiente como para enfriar el vapor de agua quese encuentra en el aire de manera natural y provocar su condensación, formando pequeñas nubes.

Lo mejor de esto es que podemos hacernos una idea muy clara de cómo distribuyen la presión alrededor de los fuselajes basándonos en las zonas donde aparece la condensación.

Oye, ¿Y qué pasaría si un ser humano viajara a la velocidad del sonido?

Depende.

Félix Baumgartner, con su traje especialmente diseñado para no congelarse, saltó a 39 kilómetros por encima del suelo y llegó a la velocidad del sonido después de 30 kilómetros. La densidad del aire a esa altura es tan baja que los frentes de altas y bajas presiones creadas por su cuerpo durante la caída no podían generar fuerzas potencialmente dañinas.

El único caso conocido de exposición repentina sin protección a una corriente de aire supersónica es el del Capitán Brian Udell, un piloto de F-15E americano que eyectó su asiento a 1.248 kilómetros por hora porque su avión estaba cayendo en picado. Su compañero de vuelo murió en el acto, y él cayó al mar sobre su asiento en un paracaídas.

Udell sobrevivió, pero durante la eyección su casco y máscara de oxígeno salieron despedidos, igual que sus auriculares. No sólo eso, sino que sus bolsillos, con las cremalleras aún subidas, habían reventado. Por si fuera poco, incluso los cordones de sus zapatos se habían hundido en el cuero de las botas… Pero eso no era lo gordo.

Una vez en el agua, insensibilizado por el frío, fue dándose cuenta poco a poco de los daños que había provocado en su cuerpo el repentino impacto de su cuerpo desprotegido contra el aire. Cuando intentó meterse en el bote salvavidas que desplegaba el asiento eyectable, notó que tenía un brazo y una rodilla dislocados (además de los tendones hechos un desastre) y un tobillo roto. Tras subir a flote utilizando sólo una mano e intentar hinchar los compartimentos secundarios del bote salvavidas, sintió que ni siquiera podía cerrar los labios alrededor de la boquilla por lo deformados que los tenía. Lo mismo pasaba con el resto de su cara, deformada e inflamada porque le habían reventado las venas subcutáneas. Cuando fue rescatado y llevado a un hospital, descubrió además que tenía una costilla rota y una brecha en la piel de punta a punta del pecho. La parte trasera de uno de sus muslos también había sido rasgada por la presión.

Si os parece que estas heridas tampoco son tan graves, recordamos que su compañero murió en el acto debido al impacto con el aire a alta velocidad. Nada más, sólo aire.