Superare Mach 1: la velocità del suono e le sue implicazioni

Superare Mach 1: la velocità del suono e le sue implicazioni

La condensazione localizzata fornisce un simbolo visibile di un FA-18 Hornet che rompe il muro del suono sopra l’Oceano Pacifico. (Di Ensign John Gay, U.S. Navy, Public Domain)

I numeri di Mach confrontano la velocità del flusso di un fluido oltre un confine con la velocità del suono. Tuttavia, non c’è una velocità del suono universale. Invece, il suono si propaga a diverse velocità a seconda del mezzo in cui si propaga e della temperatura. Di conseguenza, Mach 1 è uguale alla velocità locale del suono, ovvero la velocità nel mezzo attraverso il quale un oggetto si sta muovendo.

La misura locale della natura potrebbe sembrare poco importante rispetto alle costanti universali. Per chiunque cerchi di superare Mach 1, la velocità locale del suono conta e può diventare importante anche per coloro che sono nelle vicinanze se ci riescono.

Mach 1 può variare drasticamente a seconda della temperatura e del materiale attraverso il quale ci si muove, così come debolmente con alcuni altri fattori. Tuttavia, mentre esiste un Mach 1 per l’acqua o qualsiasi altro mezzo, viene quasi sempre utilizzato per riferirsi al movimento attraverso l’aria, in particolare alle altezze a cui di solito volano gli aeroplani.

Nell’aria, Mach 1 è determinato principalmente dalla temperatura, che diminuisce con l’altitudine. Di conseguenza, mentre la velocità del suono viene spesso indicata come 343 m/s (772 mph o 1.242 km/h), rappresentando la temperatura ambiente, gli aeroplani possono spesso superare Mach 1 a meno di 300 m/s.

Un oggetto solido che si muove attraverso un gas crea onde di pressione davanti e dietro di esso. Queste si propagano alla velocità del suono in quel gas e per qualcosa di grande come un aeromobile sono una forza da considerare. Man mano che la velocità dell’oggetto aumenta, le onde vengono forzate insieme, il che a Mach 1 crea il famoso boom sonico, che non solo è disturbante, ma può far tremare gli oggetti abbastanza da far cadere pezzi di case. Le obiezioni a questo hanno inevitabilmente portato a restrizioni sui voli che avrebbero causato tali booms. Questi a loro volta hanno aumentato i costi, motivo per cui non è più possibile acquistare un volo passeggeri da New York a Londra in tre ore, anche se la NASA spera di risolvere questo problema.

Anche avvicinarsi a Mach 1 presenta problemi. Man mano che gli aeromobili si avvicinano alla velocità del suono, sperimentano un aumento significativo della resistenza aerodinamica e possono diventare più difficili da controllare. Ciò ha portato a definire Mach 1 come “barriera del suono”, con suggerimenti sui giornali che fosse impossibile superarla.

Un’analogia inaccurata tra Mach 1 e c, la velocità della luce nel vuoto, ha tratto in inganno molte persone. Superare Mach 1 era considerato quasi impossibile da fare in sicurezza su un aeromobile, fino a quando Chuck Yeager non lo ha fatto, portando al termine “barriera del suono”. Di conseguenza, una volta superato il limite apparente e i jet hanno continuato a superare regolarmente la velocità del suono, molte persone hanno supposto che la velocità della luce si sarebbe dimostrata simile.

Ciò ha contribuito a concetti come il Warp Factor 5 in Star Trek che sono stati ampiamente accettati, come se fosse solo un problema di ingegneria come costruire aerei che possono volare a Mach 5. È fantastica fantascienza, ma i problemi iniziano quando le persone ci credono nonostante le reali differenze.

È importante sottolineare che il fatto che la velocità locale del suono potesse essere superata non è mai stato messo in dubbio. Lo schiocco di una frusta deriva dal piccolo boom sonico quando un utente esperto fa viaggiare il cracker più velocemente di Mach 1. Il tuono è prodotto da una simile onda d’urto nell’aria. La sfida era di ingrandire.

Nel frattempo, più di un secolo dopo che Einstein ha pubblicato la teoria della Relatività Ristretta, non abbiamo prove di nulla che si muova più velocemente della velocità della luce, che si tratti di tachioni o materia ordinaria accelerata per superare quella velocità.

A proposito, la definizione ufficiale di Mach 1 si riferisce alla velocità a cui un fluido scorre oltre un confine, ma di solito la consideriamo come la velocità a cui si muove un oggetto solido come un aeroplano. Non preoccuparti di questa discrepanza. Poiché tutto il movimento è relativo, se la velocità a cui un aereo si sta muovendo viene misurata rispetto all’aria circostante, piuttosto che rispetto al suolo, l’aria scorre ad essa alla stessa velocità nella direzione opposta. È il movimento relativo dei due che conta. Di conseguenza, un aereo che viaggia con il vento può muoversi più velocemente rispetto al suolo rispetto alla velocità del suono nell’aria attraverso cui si sta muovendo, senza superare Mach 1 e creare un boom sonico.

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