En esta web ya os explicamos hace tiempo qué es el número de Reynolds y qué implica en el campo de la mecánica de fluidos y la aerodinámica. Otro número adimensional fundamental para el estudio de todo tipo de fluidos, tanto externos como internos, es el número de Mach. Vamos a hablar un poco sobre él.
El número de Mach, también representado como M, indica la relación entre la velocidad de un fluido (V0) y la del sonido en dicho fluido (a0). Por tanto, se puede representar matemáticamente de la siguiente forma:
Esta sencilla relación es de vital importancia, especialmente en la aeronáutica. Es posible que recordéis que la velocidad del sonido es de 340 m/s (unos 1238,4 km/h). Sin embargo, para que esto sea totalmente cierto, debemos puntualizar que esto es así para el aire a una temperatura de 15˚C. Dicho valor depende de algunas variables, como la temperatura o la presión y la densidad. Por tanto, según aumentamos la altura respecto al suelo, menor será la velocidad del sonido.
De esta forma, con el número de Mach, sabemos a cuántas veces la velocidad del sonido se mueve nuestro fluido sin necesidad de conocer dicha velocidad. Por ejemplo, si estamos volando con un M=1, sabemos que lo hacemos a la velocidad del sonido para esas condiciones. Un M=0,5 implicaría que volamos a la mitad de la velocidad del sonido a esa altura. Sencillo, ¿verdad?
¿Y por qué nos interesa conocer si estamos cerca o lejos de la velocidad del sonido? Porque el aire a esas velocidades se comporta de forma muy diferente a lo que estamos acostumbrados. Cuando M<0.3, decimos que el aire (o el fluido que sea) se comporta de forma incompresible. Afortunadamente, cuando hablamos de aerodinámica de vehículos terrestres (coches, trenes, monoplazas…), nos encontramos con este comportamiento, que simplifica mucho los cálculos.
Sin embargo, cuando aumenta el número de Mach, el fluido comienza a presentar comportamiento compresible, su densidad deja de ser constante. Cuando un avión entra en régimen transónico (velocidades cercanas a la del sonido), pueden aparecer ondas de choque que viajan a mayor velocidad que el sonido.
De hecho, probablemente hayáis oído hablar de la barrera del sonido. Durante la Segunda Guerra Mundial, cuando los aviones se acercaban a la velocidad del sonido (Mach cercano a 1), comenzaban a experimentar problemas en el vuelo, por lo que se creía que no se podía sobrepasar dicha velocidad. Estos problemas se debían al cambio de comportamiento del aire, que se volvía compresible. Como ya sabéis, hoy en día se puede superar dicha “barrera” sin problemas. Como curiosidad, cuando un avión supera dicha barrera, se forma una onda de choque que condensa el vapor de agua y provoca una explosión sónica. Esto da lugar al efecto visual de un cono blanco que persigue al avión en régimen transónico o supersónico. A continuación os dejamos un vídeo en el que se aprecia este fenómeno en varios aviones militares.
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Ahora bien, ¿este fenómeno sólo se da en la industria aeroespacial? Para nada. También puede ocurrir en los tubos de escape de los monoplazas de F1 y en muchas otras tuberías. Su aparición es en algunos casos imposible de evitar, por lo que se deben diseñar los conductos de tal forma que impidan que esto afecte a la potencia que entrega el motor.
Referencias:
[1] Wikipedia, (30 de diciembre de 2005) F-14 breaks the sound barrier Online en: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:F-14_breaks_the_sound_barrier.jpg
[2] Wikipedia, (7 de julio de 1999) FA-18 Hornet breaking sound barrier (7 July 1999) Online en: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:FA-18_Hornet_breaking_sound_barrier_(7_July_1999)_-_filtered.jpg
[3] TechMatter, (28 de diciembre de 2019) Aviones Rompiendo la Barrera del Sonido #2 (Cámara Lenta). Online en: https://www.youtube.com/watch?v=zd2WzHC1E2c
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