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0404. Il bang supersonico con un probabile "rinculo" ?

Sono una studentessa del Liceo Scientifico E. Fermi di Padova, al quarto anno. Con il nostro professore di fisica, in classe, stiamo studiando le onde, inizialmente come tema generale, poi in maniera approfondita le onde sonore, toccando argomenti come l'effetto dopler, il bang supersonico ecc. E' stato lo stesso professore a consigliarci alcuni siti, e a invogliarci a frequentarli e a porre domande. In particolare, in classe, parlando del bang supersonico non siamo riusciti a risponderci su cosa percepisca il pilota, e soprattutto se dopo aver superato la barriera del suono, e aver rallentato (come si vede in molti video, nei quali gli aerei superano più volte in un breve periodo di tempo il muro del suono) non riceva una sottospecie di "rinculo" causato dalla grande pcompressione di aria che egli ha appena creato. Mi spiego meglio: se il pilota supera questo "muro", crea dietro di se una zona di grande pressione d'aria, giusto? Se poi rallenta, l'aria ha già fatto in tempo a decomprimersi e lui non subisce alcun tipo di forza? perchè nei video appare così, ma sia agli studenti che al professore sembra strano...Forse lui la risposta la sa già, ma vuole che ci adoperiamo per scoprila da soli! Spero che siate in grado di soddisfare la nostra curiosità, grazie comunque per la disponibilità e complimenti per il sito, è piaciuto a tutti i miei compagni! (Lucia Zanetti)

sem_esperto_verdeIl suono è un'onda meccanica che si diffonde per sfere concentriche in un mezzo fluido. Nel nostro caso tale fluido è l'aria. A livello del mare, in condizioni standard (1 atm, 15 °C), la velocità di propagazione del suono è di circa 340 m/s. Prendiamo ora in esame il comportamento delle onde sonore nel caso di un velivolo in volo.

Un velivolo che sta volando a bassa velocità occupa approssimativamente il centro delle sfere di propagazione sonora. Man mano che aumenta la velocità di volo, il velivolo si troverà ad occupare sempre di più una posizione eccentrica avanzata rispetto il centro delle sfere di propagazione sonora, Fig.1a.

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Fig. 1a Fig. 1b Fig. 1c

Avvicinandosi alla velocità del suono, le sfere diventano tangenti davanti al muso del velivolo creando quello che viene definito il "muro del suono", Fig.1b. Il motivo per cui si forma questo "muro" si può spiegare elementarmente come se le molecole d'aria non riuscissero più a "scansarsi" per far passare l'aereo e quindi si addensano davanti ad esso. Inoltre l'aria, che è una miscela di gas e quindi comprimibile, a velocità prossime a quella del suono, a causa dell'aumento di densità causato dall'aumento di pressione, comincia a comportarsi come un liquido e quindi a diventare incomprimibile. A causa di questa incomprimibilità, come nel caso di una barca che si muove nell'acqua, si creano delle onde causate da differenti densità del fluido intorno al velivolo, tali onde vengono definite "onde d'urto" o, usando un termine inglese, "shock waves". Tali onde che si generano in regime transonico, provocano un drastico aumento della resistenza all'avanzamento, anche noto come fenomeno di "drag rise"; in questa fase del volo, oltre a richiedere una grande potenza motrice per superare il drag rise, sulle superfici del velivolo accadono fenomeni aerodinamici complessi dovuti alle onde d'urto, che interferiscono, ad esempio, con il centraggio aerodinamico dello stesso con forte momento a picchiare (tuck under) ed altri effetti sulle superfici di controllo. Superata questa fase critica, in cui si possono avvertire, stando a bordo, delle vibrazioni dovute allo spostamento delle onde d'urto lungo l'aereo, passando il velivolo da regime transonico a regime supersonico, non si avverte praticamente più rumore aerodinamico perchè l'aereo se lo è "lasciato indietro", Fig.1c. Il bang associato al superamento del muro del suono è dovuto appunto a queste onde d'urto che creano dei coni d'urto, uno sul muso ed uno sulla coda del velivolo, detti "coni di Mach", Fig.2,  dal nome dello scienziato austriaco icona_minibiografia che studiò i fenomeni transonici e supersonici. Anche la velocità del suono si computa in "numero di Mach" ; ad esempio un aereo che vola all'80% della velocità del suono si dice che viaggia a "punto 8 (0.8) di Mach", uno che viaggia ad una volta e mezzo a "Mach 1.5", ecc. La velocità espressa in Mach non corrisponde sempre alla stessa velocità espressa in Km/h dato che la velocità del suono varia a seconda della quota di volo e della temperatura dell'aria (icona_esperto[398]).

scienzapertutti_mach_aereo

Fig.2

Tornando ai nostri coni di Mach che si generano dal muso e dalla coda del velivolo, quando raggiungono il suolo, creano un'area d'impatto sonoro direttamente proporzionale alla quota di volo ed inversamente proporzionale alla stessa per l'ntensità sonora (più alto è l'aereo in supersonico, più vasta l'area al suolo interessata, ma minore è l'intensità sonora). Il bang si può dire che segua come un'ombra l'aereo che viaggia in regime supersonico. Il discorso sarebbe ancora lungo ed andremmo ad interessare la storia dell'aviazione, dai voli del Bell X-1 di Chuck Yeager a come fu risolto il problema del drag rise sul caccia Convair F-102 grazie al geniale aerodinamico Whitcomb, sua la famosa "regola delle aree di Whitcomb"; ma il discorso esonderebbe da questa piccola trattazione. Un interessante video divulgation dell'Americana USAF risalente agli anni '50 puoi essere trovato al link:icona_linkesterno. Se avete avuto qualche stimolo culturale da quanto vi ho esposto, vi esorto ad approfondirlo, l'aerodinamica è una scienza affascinante.



Franco Manini - Pilota

ultimo aggiornamento novembre 2013

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