Sound Barrier

Per poter comprendere i fenomeni aerodinamici che avvengono in corrispondenza della velocità del suono è necessario considerare la natura del suono stesso e le caratteristiche della sua propagazione.
Un diapason con un urto secco, comincia a vibrare emettendo un suono, poichè le sue vibrazioni provocano nell'aria onde sferiche, costituite da sottilissimi strati successivi addensati e rarefatti, che si propagano trasmettendo le vibrazioni stesse le quali, quando arrivano a colpire il nostro orecchio si rendono udibili.
(se la loro frequenza e compresa fra 16 e 20.000 Hz).

Si ricorda che dalla frequenza dell'onda sonora dipende il "significato" del suono, ossia la "nota" musicale , mentre dalla quantità (massa) di aria eccitata dalla vibrazione dipende l'intensità, ossia il volume del suono.
Velocità del suono è la velocità alla quale si propaga la piccola variazione di pressione costituente l'onda sonora sopra definita.
Da notare che attraverso le onde sonore si ha una "propagazione di moto", ma non un "trasporto di materia", analogamente a quanto avviene nel caso delle classiche onde provocate dalla caduta di un sasso in uno stagno.
Apparentemente sembra che sia l'acqua a muoversi nel senso della propagazione dell'onda, ma basta osservare un qualsiasi truciolo galleggiante per vederlo oscillare in alto e in basso senza allontanarsi dalla posizione. iniziale.
In definitiva sono le molecole d'aria i veicoli successivi della trasmissione della vibrazione sonora, come di ogni altra variazione di pressione provocata nell' aria da un corpo in movimento.
Le molecole d'aria sono animate da un moto proprio di agitazione (moto browniano) muovendosi ad una velocità media di 500 metri/sec. a temperatura normale (15°) e urtandosi l'una con l'altra miliardi di volte al secondo.

Si può in proposito affermare che la temperatura non è che la misura indiretta di tale velocità di agitazione, e il calore ne è l'effetto.
Così come la pressione esercitata da un gas contenuto in un recipiente è la risultante di tutti gli urti delle molecole del gas contro le pareti.
Si è detto che la propagazione del suono avviene attraverso gli addensamenti e le rarefazioni che le molecole d'aria si trasmettono (onda sonora).
Ne deriva che la velocità di propagazione sarà dell'ordine della rapidità propria di agitazione delle molecole.
La velocità di propagazione del suono è inferiore alla velocità molecolare, e nell'aria a 15°C invece di 500 metri al secondo diventa di 340 metri al secondo (1225 km/h).

Per quanto ora detto si comprende che dove la temperatura dell'aria diminuisce, come alle altitudini elevate, la velocità del suono diminuisce: per esempio a quota 11.000 metri,con una temperatura di – 50°C, la velocità del suono diventa 1.100 km/h (m 306 al m/s).
La velocità di propagazione del suono dipende inoltre dalla struttura molecolare e risulta diversa nei diversi gas:
nell'idrogeno è molto più alta che non nell'aria, raggiungendo 1.240 metri/sec.; nell'elio è di 930 metri/sec.;
nell'azoto scende a 320 metri/sec.
Da quanto sopra esposto si conclude che nel vuoto il suono non si trasmette, non esiste, cosi come non può esistere una sostentazione aerodinamica.
Ogni punto dell'aeroplano che vola funziona perciò come una sorgente di onde di compressione e di espansione propagantisi nel modo sopradetto.


Quando la sorgente di una vibrazione sonora è immobile, come nel caso del diapason, le onde sferiche si propagano nello spazio radialmente in una serie di superfici concentriche, analogamente a quanta avviene - in un piano - per le onde provocate da un sasso caduto in uno stagno
Se invece, come per l'aeroplano, la sorgente delle vibrazioni si muove lo schema della propagazione delle onde è differente, dal momento che ciascuna onda è emessa da punti successivi.
Allora ha molta influenza la velocità con la quale la sorgente si sposta nell' aria. Se è minore della velocità del suono l'onda precede la sorgente della perturbazione e le onde formano delle sfere una nell'altra, ma con centri differenti disposti lunge la direzione del moto.

In realtà quando la velocità del velivolo è lontana da quella del suono, l'aria si comporta come un liquido, cioè come un fluido continuo non compressibile.
Essa scorre regolarmente sulla superficie del corpo, si scosta al suo passaggio, si adatta alla forma, si richiude dietro di esso, senza variare di densità, ossia senza subire una vera e propria compressione.
Con opportuni accorgimenti riesce materialmente possibile osservare l'andamento della corrente fluida intorno al corpo, e si nota che la corrente aerea già ad una piccola distanza a monte del corpo si deforma.

Infatti le molecole d'aria che vengono a contatto trasmettono tale moto di scostamento alle molecole contigue e così via, sicchè la massa d'aria interessata si scansa tempestivamente consentendo il passaggio del corpo stesso, alla cui forma essa si adatta.

Si ripete che la trasmissione di questi "avvisi" di scostamento, come di ogni piccola variazione di pressione in seno all'aria, avviene grazie alla rapidità propria di agitazione delle molecole, e sempre in modo analogo alla propagazione del suono.
In altre parole, le molecole d'aria, per essere dotate di una propria superiore mobilità rispetto al velivolo, all'avvicinarsi di questa hanno tempo e modo e luogo per scansarsi e fargli posto (senza ammassarsi e senza che subisca sensibili alterazioni la locale densità dell'aria).
Inevitabilmente è sempre necessario un lavoro per spostare una massa d'aria precedentemente in quiete: e tal lavoro si traduce in una certa resistenza all'avanzamento, determinabile in funzione della velocità e della forma e dimensione del veicolo.
E' poi da considerare la resistenza d'attrito per lo strisciamento dell'aria sulla superficie del mobile stesso.
La resistenza complessiva all'avanzamento cresce gradualmente con il crescere della velocità, e in modo regolare fino alle velocità dell'ordine di quella del suono.
Poi però aumenta bruscamente e irregolarmente assumendo valori elevatissimi.
Questo perchè le molecole d'aria (pur dotate come già detto di una propria determinata mobilità) al sopraggiungere di un veicolo più veloce di loro non fanno più a tempo a scansarsi e a trasmettere gli avvisi di scostamento alle molecole contigue.
Vengono bensì urtate, spinte e strette l'una contro l'altra bruscamente, come "investite".
In altre parole si determina localmente una vera e propria "compressione" o "condensazione" dell'aria.
(Comprimere un gas significa proprio obbligarne le molecole a diminuire le distanze medie reciproche, ad ammucchiarsi, in modo che la massa gassosa interessata aumenti di densità essendo "costretta" in un volume minore di quello che essa assumerebbe spontaneamente con le molecole libere).
Si sa che la compressione esige uno sforzo notevole, necessario per vincere la reazione delle naturali forze molecolari dell'aeriforme.

E' questa nuova specie di resistenza, detta appunto di compressione, che un veicolo deve vincere quando si muove nell'aria alla velocità del suono (o a velocità superiori, ovviamente)
Per raggiungere e superare la velocità sonica necessitano perciò potenze motrici elevatissime; cosi, per volare a 1.200 km/h occorre una potenza sette volte maggiore di quella sufficiente alla velocità di 800 km/h.


Riprendendo ora lo schema di propagazione per onde sferiche, si vede che se la sorgente della perturbazione si muove alla stessa velocità del suono, il fronte dell'onda e la sorgente della perturbazione viaggiano assieme, sicchè anteriormente al corpo in moto le superfici delle onde si sovrappongono.
In questo caso la perturbazione di ciascuna onda rinforza la precedente formando anteriormente una onda d'urto normale alla direzione del moto.
La onda d'urto costituisce una discontinuità caratterizzata da un "salto di pressione" dovuto al sovrapporsi delle superfici delle onde sonore e al conseguente sommarsi delle piccole variazioni di pressione che ciascuno strato dell'onda porta con se: ne deriva in quella zona un brusco aumento della densità e anche della temperatura dell'aria.
Dunque alle velocità soniche, in seguito al prodursi di una locale compressione dell'aria si determina una resistenza chiamata di compressione o d'onda, diversa dalla resistenza d'attrito o di strisciamento .
L'ostacolo aerodinamico rappresentato da questa nuova altissima resistenza all'avanzamento è denominato "barriera sonica" o "muro del suono".

L'aver parlato ora di "compressibilità" dell'aria è giustificato dalla costatazione che alla velocità del suono si verifica una automatica compressione dell'aria davanti ad un corpo che avanza nel libero spazio: ciò che non avviene a velocità inferiori.
Le velocità di poco inferiori alla velocità del suono (subsoniche) e quelle superiori (supersoniche) si esprimono nel linguaggio tecnico, con il cosiddetto Numero di Mach (Ernesto Mach, fisico austriaco, 1838-1916).
Il Numero di Mach (M) è il rapporto tra la velocità del corpo rispetto all'aria e la velocità del suono nell'aria stessa: cosicchè numero di Mach eguale a 1 vuol dire velocità del veicolo eguale alla velocità del suono.
Numero di Mach 0,8 vuol dire velocità pari a 8/10 di quella del suono.
In relazione a quanto ora esposto, si conclude che un veicolo muovendosi nell'aria a velocità superiori a quella del suono provoca delle perturbazioni (variazioni di pressione) che propagandosi ad una velocità (quella del suono) inferiore per definizione alla velocità del mobile, restano indietro rispetto al mobile stesso.

Consideriamo per esempio la sorgente della perturbazione materializzata dalla punta dell'ogiva di un proiettile dotato di una velocità di circa 700 metri al secondo.
Si vede che quando il proiettile passa dalla posizione 0 successivamente nelle posizioni 1, 2, 3, 4, (nel tempo per es. di 1, 2, 3, 4 secondi, talchè la distanza 0-4 risulterà di 2.800 metri) le onde sferiche di propagazione delle perturbazioni sonore avranno raggiunto le posizioni indicate dai circoli.
Sicchè lo spazio invaso dalle perturbazioni provocate dal proiettile fino nella posizione 4 resta circoscritto dentro un cono, detto cono di Mach, avviluppante tutte le sfere suddette, che ha il vertice nel punta 4 (punta del proiettile) e si apre indietro rispetto alla direzione del moto.
Nello spazio esterno a tale cono non è giunta alcuna perturbazione (perciò è stata chiamata "zona di silenzio").

Nel caso del moto subsonico invece, le onde sferiche di propagazione delle perturbazioni, essendo più veloci del corpo, invadono anche lo spazio antistante al corpo in moto.
E' anche da notare che mentre nel moto subsonico gli effetti delle perturbazioni (onde di pressione), oltre ad attenuarsi con l'aumentare della distanza, si disperdono in tutte le direzioni,nel moto a velocità supersonica si verifica la concentrazione degli effetti di pressione in prossimità della superficie del cono di Mach, dove le sfere delle onde di pressione si addensano, si sovrappongono, si intersecano.
Quando è un corpo esteso che si muove nell'aria (un proiettile, un velivolo, ecc.) si formano in corrispondenza delle superfici di Mach onde d'urto proporzionalmente di grande estensione, le quali si spostano insieme con il mobile, similmente alle onde di prua generate nell'acqua da un veloce motoscafo .
L'onda d'urto costituisce dunque una superficie di discontinuità in corrispondenza della quale, variando la densità come prima detto , si ha anche una variazione dell'indice di rifrazione; ciò permette in particolari condizioni di fotografare tali onde.
A velocità notevolmente superiori a quella del suono le onde d'urto assumono un andamento che provoca un cono di Mach ad angolo acuto.
Al crescere della velocità l'angolo diventa sempre più acuto; dipende anche dalla forma del corpo (più acuto se il corpo e appuntito)
Poichè la resistenza si traduce sempre in calore, alle velocità ipersoniche (superiori a 5 0 6 Mach) non conviene più una punta aguzza, per il fatto che il calore generatovisi può provocame la fusione.
Conviene allora una prua arrotondata, che meglio può assorbire e smaltire il calore, e che meglio può essere allo scopo costituita e predisposta.
Per tal motivo l'aviorazzo americano "X-15" negli ultimi esemplari, capaci di volare ad oltre 5000 km/ora, ha avuto la prua arrotondata.