IMPORTANT: Si us voleu donar d'alta, escriviu-nos a wiki@matadejonc.cat

La Velocitat del So

De Matawiki
Dreceres ràpides: navegació, cerca

The Right Stuff

La Velocitat del So · La Carrera Espacial · Biografies · Fonts d'informació · Viquipèdia

Contingut


Aquest apartat del treball, la velocitat del so, el volem dedicar bàsicament a l'explicació d'una serie de coneixements bàsics sobre la física que apareixen a la pel·lícula. Per començar, fer una petita introducció del que és el so. I a continuació definir una serie de conceptes que sorgiren quan el 1947, un pilot arriscat començà a fer proves amb un Bell X-1 i va aconseguir travessar la barrera del so.


Què és el so?

El so és una successió de canvis de pressió en un medi (sòlid, líquid o gas), provocats per una vibració que es transmet en forma d'ones sonores. És a dir, el so és un moviment ondulatori.

A diferència d'altres tipus d'energia (calorífica, lluminosa...), que poden viatjar a través del buit, el so necessita un medi material per a transmetre's. Aquesta transmissió és longitudinal en un fluid (líquid o gas) i transversal en un sòlid. La velocitat del so (velocitat en que es desplaça el so) depèn de la densitat del medi a través del qual viatja. En l'aire, aquesta velocitat és d'uns 340 m/s tot i que varia amb la temperatura i la humitat.

El so es produeix per la vibració de les partícules i la freqüència de vibració es mesura en hertz (símbol 'Hz'). Com a curiositat us direm que el rang d'audició humà és aproximadament de 20 a 20.000 Hz (20 kHz).

Les principals característiques de les ones sonores són, com en qualsevol altre tipus d'ona, la freqüència i l'amplitud.


  • Per poder observar la magnitud de la velocitat de la barrera de so passarem els 340 m/s a km/h

340 m/s = 340 m · 3600 s / 1000 m = 1224 km/h


La propagació del so

Les vibracions de l'emissor sonor són percebudes per l'oïda gràcies al fet que entre ambdós existeix un mesi elàstic capaç de transmetrer-les. En el buit, el so no es propaga. En els medis homogenis, les ones sonores es propaguen a velocitat constant.

  • La velocitat de propagació del so a l'aire (a 20º): 340 m/s
  • La velocitat de propagació del so a l'aigua: 1 500 m/s
  • La velocitat de propagació del so a l'escorça terrestre: entre 5000 i 9000 m/s

Una tema curiós es veure des de dos punts de vista l’exemple següent en que si un arbre cau enmig de la selva i no hi ha ningú per a escoltar-lo, des del punt de vista físic, aquest produeix soroll ja que produeix ondulacions de l'aire. En canvi tenint en compte l'accepció general de so, no ho produeix ja que les ones que emet no xocarien amb cap òrgan perceptor de so.

El nombre Mach

Fitxer:Mach.jpg
Classificació de Mach

El nombre Mach (M), és una mesura de velocitat que es defineix com el coeficient entre la velocitat d'un objecte i la velocitat del so en el medi on es mou aquest objecte.

S'aplica en aeronàutica per indicar el quocient entre la velocitat d'una aeronau, relativa a l'aire, i la velocitat del so a l'aire. Per saber el nombre de Mach només cal aplicar la fórmula següent:

  • Numeromach.JPG

Normalment s'utilitza per expressar la velocitat dels avions. Mach 1 vol dir que va a la velocitat del so, Mach 2 vol dir que l'avió va dues vegades la velocitat del so, i així successivament. Aquest nombre el va proposar el físic i filòsof austríac Ernst Mach, com una forma senzilla d'expressar la velocitat d'un objecte respecte a la velocitat del so. Les velocitats de vol es classifiquen segons el nombre de Mach (veieu la imatge de la dreta)

La barrera del so

Què és?

A aerodinàmica, la barrera del so era el suposat límit físic que impediria que objectes de grans dimensions desplaçar-se a velocitats supersòniques, és a dir, majors que la velocitat del so, per tant, major que 1.225 km/h (a l'aire). Aquesta velocitat varia depenent del medi a través del qual viatgen les ones sonores. També, es diu que un avió trenca la barrera de so quan supera la velocitat de 340 m/s aleshores es diu que es un avió supersònic. Inicialment es pensava que l’avió mai no podria superar la velocitat del so degut a la resistència de l’aire. Per això es parla de barrera de so. El terme de barrera del so, es va començar a utilitzar durant la Segona Guerra Mundial, quan un cert nombre d'avions van començar a tenir problemes de compressibilitat en volar a grans velocitats, i va caure en desús als anys 1950, quan els avions van començar a trencar aquesta barrera de forma rutinària.

Per poder superar la barrera del so varen ser necessaris avions supersònics que traspassessin la velocitat del so (com per exemple el Bell X-1). La unitat coneguda per traspassar aquesta velocitat és el Mach. A partir d'1 Mach, podem dir que hem superat la barrera del so.

El primer en travessar la barrera del so oficialment va ser Charles Elwood Yeager el 14 d'octubre de 1947 volant amb l'avió experimental Bell X-1; va arribar a una velocitat de Mach 1 a una altitud de 45.000 peus.

Chuck Yeager

Aquest rècord però no durà molt ja que, quatre anys després, al 1951 el pilot de proves Hill Bridgeman va volar amb un Douglas Skyrocket a una velocitat de Mach 1,88.

Al desembre de 1953, Yeager tornà a posar un Bell-X1 als límits, travessant la barrera del so a una velocitat de 2,44 Mach (2655 km/h)



Rècord de velocitat

Rrepresentació del X-43A

El X-43A creat per la NASA, mesura 3.6 metres de longitud. És el tercer i últim model d'un programa de la NASA que posseeix 250 milions de dòlars de capital, per a l'experimentació amb la tecnologia de propulsió tipus ramjet. Aquests nous motors, que posseeix, agafem l'oxigen de l'atmosfera i l'introdueixen com a combustible en un motor d'hidrogen.

La prova de vol es va realitzar dia 16 de novembre de 2004, a uns 80 quilòmetres de la costa de Califòrnia. Es va utilitzar un bombarder modificat (el B-52B mothership) que va dur enganxat un coet Pegasus retocat i al capdavant d'aquest, el X-43A. Una vegada el coet Pegasus va haver arribat als 95.000 peus es va separar del X-43A i llavors, va encendre els seus motors, arribant a una velocitat punta de Mach 9.8, convertint-se amb l'avió més veloç de la història. Ara el nou objectiu es aconseguir arribar a una velocitat de Mach 10, que és la velocitat que uns estudis realitzats per la NASA han demostrat que assoleixen alguns esteroides.

Què passa quan es frega el límit?

Un avió quan vola empeny les molècules de l’aire i crea contínuament ones d’aire, que son ones de so. La velocitat del so (de les ones) és de 340 m/s; segons la velocitat de l’avió poden passar dues coses:

a) Quan l’avió va a velocitat inferior a 340 m/s les ones es mouen per davant de l’avió I es pot sentir un renou “normal”.

b) Quan l’avió va a velocitat superior a 340 m/s les ones es comencen a apilonar al front de l’avió i es comprimeixen, formant el que anomenem ones de xoc. Les ones de xoc es dispersen per darrera de l’avió i si arriben a la nostra oïda sentirem una explosió sònica.

Quan un avió s'apropa a la velocitat del so, la forma en què l'aire flueix al voltant de la seva superfície canvia i es converteix en un fluid compressible, provocant així una resistència major. És el que s'anomena Singularitat de Prandtl-Glauert. En aquest moment les ones es comencen a solapar les unes contra les altres a la part frontal de l'avió, produint una conificació de les ones darrere l'avió i formant ones de xoc que dissipen enormes quantitats d'energia. Llavors és el punt en que es du a terme una baixada sobtada de la pressió de l'aire i en que es causa un núvol de condensació visible. És un exemple de singularitat matemàtica en aerodinàmica. Si hi ha molta humitat a l'aire, quan un objecte assoleix la velocitat del so es produeix una variació extrema de la pressió, que pot produir la condensació del vapor d'aigua que hi ha a l'aire.

Representació gràfica del que succeeix

Quan Charles Elwood Yeager fou el primer en superar-la, es produïren els següents efectes (En Mach):

  • 0,3 - Es presentà la inaficàcia del timó.
  • 0,6 - Va sorgir una forta pressió que produïa encara més vibració de la que hi havia.
  • 0,8 - L'agulla del timó tremolava apunt d'espatllar-se.
  • 1 - Es traspassà la barrera del so.

Explosió sònica

Es denomina explosió sònica al component audible de l'ona de xoc provocada per un avió quan sobrepassa Mach 1.

Causes

L'explosió sònica succeeix perquè, com que la velocitat de l'avió és pròxima a Mach 1, els fronts d'ona que genera es comencen a solapar l'un contra l'altre. Si la velocitat de l'avió supera la velocitat del so es produirà una conificació de les ones darrere d'ell. En el cas de l'avió caça, el pilot no pot escoltar aquesta explosió ni el soroll del motor viatjant per l'aire, ja que aquest és deixat enrere per l'avió. La següent imatge il·lustra les 3 situacions. Els espetecs sònics emeten enormes quantitats d'energia, el que produeix un soroll molt semblant al d'una explosió.

Bell X-1

El Bell X-1

El Bell X-1, originalment conegut com XS-1, va ser el primer avió capaç de superar la velocitat del so amb un vol horitzontal, per tant, de travessar la barrera del so. El 14 d'octubre de 1947, un avió pilotat per Charles Elwood Yeager de la USAF, va assolir la velocitat d'un Mach i una altitud de 45000 peus. Va travessar la barrera del so. L'aeronau va ser llançada per la panxa d'un B-29 modificat i va planar fins que va poder dur a terme l'aterrament a una pista.

Com era?

L'aeronau era impulsada per un motor de coet Reaction Motors XLR-11-RM3 de 26,7 kN de càrrega. Tenia una longitud de 9,4 m, una envergadura de 8,5 m i una altura de 3,3 m. La superfície de la volada era de 12 m². L'aeronau buida pesava 3175 kg, carregada 5545 kg i el pes màxim al envolar-se era de 5557 kg. L'avió podia assolir com a velocitat màxima 1541 km/h, podia arribar a 5 min d'impuls sostingut per el motor i tenia un sostre de servei de 21900 m.

Primeres teories i experiències

Inicialment es pensava que l'augment de la resistència seguia un creixement exponencial, per la qual cosa una avió no podria superar-la encara que augmentés substancialment la potència dels motors. D'aquí surt el nom de barrera del so.

De tota manera, aquesta idea ja havia sigut descartada pels artillers del segle XIX. Des d'Ernst Mach es sabia que, a partir d'un cert punt la resistència ja no augmenta més i, de fet, es redueix. De manera que per travessar la barrera del so hi hauria prou amb disposar de major propulsió i millor aerodinàmica per vèncer aquest punt màxim de resistència. Amb la introducció de noves formes d'ala que disminueixen la resistència i els motors de reacció per a la propulsió va ser possible des dels anys 50 viatjar més ràpid que el so amb relativa facilitat.

Al començament del 1946, dos XS-1 varen dur a terme una serie de proves a l'aeròdrom militar de Muroc (Califòrnia), per obtenir les dades necessàries per dur a terme vols a velocitats supersòniques. Aquestes proves varen acabar quan varen aconseguir amb un vol tripulat superar el Mach 1, la velocitat del so. Ho va aconseguir el 50è vol, a una velocitat màxima de Mach 1,06. Aquest avió va ser el primer que es va construir amb intencions d'investigació, sense produir-ne un sèrie. El seu disseny va ser realitzat a partir de les propostes de la NACA, va ser pagat per les Forces Aèries i construït per Bell Aircraft Inc. La construcció d'aquesta aeronau va proporcionar dades per al disseny de futures aeronaus d'alt rendiment.

Charles Elwood Yeager va ser el primer home en travessar oficialment la barrera del so, el 14 d'octubre de 1947, volant amb l'avió experimental Bell X-1 a velocitat Mach 1 i a una altitud de 45.000 peus.

Eines de l'usuari
Espais de noms
Variants
Accions
Navegació
Escola
Imprimeix/exporta
Eines