Introducción
La humanidad se encuentra envuelta en innumerables fenómenos naturales y los cuales forman parte esencial y diríamos intrínsecas de nuestras vidas, si nos detuviésemos a jerarquizar el impacto de cada uno de esto fenómenos sin lugar a dudas el del sonido estaría entre los más importantes para nuestro normal funcionamiento como especie viviente, y sería importante acotar que dicho fenómeno del sonido estaría acompañado en tal jerarquización de otros vitales fenómenos como el del movimiento y la luz.
Nuestra magistral historia científica la hemos redactado con el amplio y basto conocimiento extraído de nuestro entorno natural, y de esta manera nos hemos vistos extremadamente influenciados por la maravillosa acción de cualquier tipo de manifestación como lo es la del sonido, todo aquello que nos rodea posee algún tipo de movilidad y como consecuencia dicha acción genera algún tipo de ondas sonoras las cuales generan el sonido.
En esta oportunidad analizaremos a las espectaculares ondas de choques generadas por la velocidad supersónica de un determinado cuerpo u objeto (móvil), debemos resaltar que dicho análisis lo lograremos a través de la combinación de dos fundamentales fenómenos para todos nosotros como lo son el movimiento y el sonido, ambos podemos expresar que los podemos encontrar a cualquier instante de nuestro entorno y existencia.
Debido a que el sonido es un tipo de onda, es importante expresar que la misma constituye un tipo de perturbación o alteración la cual se moviliza o propaga bien sea por un medio material (como el aire) o por el vacío, las ondas es posible que las podamos clasificar u ordenar según ciertas características de acuerdo al momento de su respectivo análisis, por lo tanto, las mismas pueden ser de naturaleza mecánica o electromagnéticas (las del sonido son mecánicas), pero si queremos analizar su forma de propagación podemos clasificarlas como longitudinales o transversales.
Cualquier tipo de sonido se originara por medio de una determinada vibración de una partícula, cuerpo u objeto, este tipo de movilidad vibratoria se transmite por ondas sonoras y como expresamos dichas ondas utilizan un medio material elástico que por lo general es el aire que nos circunda para llegar de esta forma a nuestros oídos, debemos resaltar que las ondas sonoras pueden amortiguarse a medida que las mismas se propagan a través de cierta distancia y que además ellas pueden ser atraídas, absorbidas o reflejadas por algún obstáculo que puedan conseguirse en su camino.
El fenómeno específico de movilidad vinculado a la propagación de ondas sonoras es el movimiento ondulatorio y para su generación el movimiento vibratorio, dos importantes movimientos que hacen posible que se genere las ondas de choque cuando una determinada fuente emisora de ondas sonoras supera la velocidad o barrera del sonido, como lo observaremos en el presente artículo.
El sonido que escuchan nuestros oídos por lo general no ocasionan choque de ondas sonoras, ya que para que esto se produzca el cuerpo u objeto emisor de tales ondas sonoras debe superar la barrera de la velocidad de propagación del sonido a condiciones normales tanto de temperatura y presión, como complemento de esta introducción les recomiendo los siguientes enlaces referidos al movimiento ondulatorio y movimiento vibratorio.
Ondas de choque
Todos nosotros nos encontramos absorbiendo el aire que se encuentra a nuestro alrededor, en este medio material elástico (aire) ocurren innumerables fenómenos que forman parte intrínsecas de nuestras vidas desde el origen de la especie humana, las moléculas de aire a pesar de no poderlas ver se encuentran a nuestro lado en cualquier lugar donde nos encontremos, y las mismas constantemente son perturbadas por la acción de algunas ondas, en particular por aquellas que transportan el majestuoso fenómeno del sonido.
Es importante recordar que el sonido es transmitido o transportado por ondas sonoras longitudinales de presión, y su normal comportamiento dependerá de las condiciones naturales, en donde, nos encontremos o la actividad que estemos analizando u observando, esto hace que en ocasiones en una misma acción o movilidad cíclica o repetida percibamos sonidos diferentes.
Las ondas de propagación del sonido son de tipo longitudinal, y esto es debido a que las partículas vinculadas a tal movimiento ondulatorio oscilan en concordancia a la dirección que siguen dichas ondas sonoras, cuando un determinado sonido llega a nosotros es debido a una movilidad vibratoria de cualquier partícula, cuerpo u objeto, tal vibración en forma de ondas ejercerá presión en el medio que lo transporta que para nuestro caso será el aire.
Es importante recordar las condiciones a las que unas determinadas ondas sonoras pudieran estar sometidas ya que de esto dependerán sus magnitudes físicas, por tanto, podemos decir que la velocidad de propagación de las ondas longitudinales del sonido dependerá de las condiciones ambientales donde se encuentre la fuente de emisión de dicho fenómeno, entonces, dicha velocidad puede variar en relación a la altura, la presión y la humedad.
El hombre como de costumbre ha logrado estandarizar en magnitudes físicas el comportamiento de cualquier fenómeno que se desarrolle en nuestro entorno, y en cuanto a la velocidad del sonido tenemos que a condiciones naturales estándar de una presión de (1) una atmósfera y temperatura de 15 °C, la referida velocidad del sonido en aire seco es de 340,3 m/s aproximadamente, por lo tanto, dicha velocidad estándar variaría hacia arriba o abajo dependiendo en el medio en donde se desarrolle el determinado análisis.
Cuando nos referimos a la velocidad o barrera del sonido es importante tener siempre en cuenta el número de Mach (Nombre relacionado a Ernst Mach, físico austriaco quien fue que lo determinó) esta magnitud nos permite conocer si estamos dentro o no de la barrera del sonido, por ejemplo 1 Mach es la referencia o indicativo del límite del rompimiento de dicha barrera, por debajo de este valor (1 Mach) una determinada fuente de onda sonoras emite su propagaciones en un rango que se conoce como subsónico, al ser igual a 1 Mach estaremos hablando de un comportamiento sónico y al superar este número referencia nos encontraremos con la velocidad súper e hipersónica.
Es importante ir mostrando algunos pasos antes de llegar a la propagación de ondas de choque, toda partícula, cuerpo u objeto inicia alguna movilidad desde el reposo y si este móvil genera ondas sonoras el comportamiento de las mismas dependerá además de las mencionadas condiciones ambientales o naturales también del movimiento de dicho móvil, de esta manera iniciemos cuando el móvil se encuentra emitiendo tales ondas estando en reposo, y por tanto, la propagación de dichas ondas sonoras será de la siguiente forma como la que observaremos en la siguiente figura 1.
Figura 1. Fuente de emisión del sonido en reposo
En la anterior figura 1, podemos notar que la fuente emisora de las ondas sonoras se encuentra inmóvil, y por lo tanto, dicha propagación de ondas las vemos de forma de circunferencias concéntricas, pero si la fuente comienza a moverse, es decir, desarrollar velocidad, notaremos que los frente de dichas ondas sonoras empezaran a acumularse al frente de la fuente emisora y detrás de esta vemos como que las longitudes de ondas se incrementa, como visualizamos en la siguiente figura 2.
Figura 2. Fuente de emisión de sonido en movimiento (Efecto Doppler)
En la anterior figura 2, observamos un reconocido fenómeno que constantemente ocurre a nuestro alrededor el cual lo denominamos efecto Doppler, en donde, las longitudes de ondas que puede captar o escuchar un determinado receptor se hacen más cortas antes y al momento de pasar la fuente emisora de tales ondas por dicho receptor que cuando se va retirando de este (receptor), en este ejemplo aún la fuente se encuentra dentro de la barrera del sonido.
Otro paso que podemos analizar en relación de una determinada fuente de emisión de sonido es cuando la misma se encuentra justo en el momento o límite de la barrera del sonido, en esta acción observamos una máxima compresión de los frentes de ondas delante de nuestra fuente emisora y de esta forma nos conseguimos con una mayor resistencia del aire a la movilidad de dicha fuente, estando ubicada la fuente en lo que se conoce como barrera del sonido como podemos observar en la siguiente figura 3.
Figura 3. Fuente de emisión de sonido en movimiento y compresión al máximo de los frentes de ondas (Barrera del sonido)
Ya estamos al límite de romper la berrera del sonido y de esta manera llegar a la velocidad supersónica y a la formación de las ondas de choques que es el análisis de nuestro artículo, por lo tanto, analicemos el comportamiento de las ondas sonoras cuando una determinada fuente emisora de tales ondas logra pasar o romper la barrera del sonido y con ello movilizarse delante de los frentes de ondas que transmiten el sonido, estas (frente de ondas) no podrán alcanzar la velocidad de dicha fuente como veremos a continuación en la siguiente figura 4.
Figura 4. Ondas de choque debido a la velocidad supersónica de la fuente emisora
En la anterior figura 4, podemos observar una interferencia o cruce constructivo entre las cresta de las ondas sonoras de la fuente emisora, y en consecuencia originándose una enorme cresta de gran amplitud, esta última (cresta) es la que denominamos ondas de choque, en este caso ampliando el número de Mach (parámetro adimensional) podemos decir el que mismo nos permite conocer la proporción de la velocidad del sonido que lleva dicha fuente emisora.
El anterior ejemplo lo hemos analizado en el plano, si unimos los puntos en donde los frente de ondas se han cruzado obtendremos un par de líneas rectas las cuales podemos decir que representan el vértice de una triángulo, pero al observar tal acción en 3D veremos claramente que tenemos un cono y las ondas en vez de circunferencias son esferas, como podemos visualizar en la siguiente figura 5.
Figura 5. Ondas de choque en 3D
En la anterior figura 5, podemos ver como la fuente emisora de las ondas sonoras logran romper la barrera del sonido superando el 1 Mach que es la referencia de dicha barrera, además al visualizar tal actividad en 3D logramos observar como las ondas son figuras geométricas esféricas en vez de circunferencias, y la compilación de estas constituyen al reconocido cono de Mach y en consecuencia una fuente emisora supersónica.
Conclusión
El comportamiento de los fenómenos naturales analizados por el hombre nos han permitido conocer en profundizar de la enorme complejidad de nuestro universo, cuantas manifestaciones naturales a nuestro lado, y cada cual con su específica tarea o labor al igual que todos nosotros como especie humana, pudiéramos asegurar que el sonido al igual que el movimiento y la luz representan los fenómenos más representativos para nuestra existencia.
Cada uno de estos fenómenos antes mencionados se activa o desarrolla generalmente con la ayuda del otro, esto rápidamente nos hace pensar de la complejidad de ellos y el porqué el gran interés del hombre por lograr descifrar cualquier tipo de enigma que aún quede por develar sobre los mismos, a través de las ondas sonoras generadas por alguna movilidad vibratoria es que podemos captar o escuchar todo lo que a nuestro alrededor ocurre y de esta manera poder deleitarnos o perturbarnos con dichas ondas transportadoras del fenómeno del sonido.
Hemos aprendido o determinado que todo a nuestro alrededor poseen un límite y esto nos permite estandarizar cualquier tipo de comportamiento de un fenómeno en particular, la característica antes descrita nos ha permitido ir analizando la generación de ondas de choque tal y como se ha mostrado en cada una de las figuras de este artículo, es decir, ir paso a paso hasta llegar al objetivo planteado, ondas de choque por la acción de la velocidad supersónica.
Al tocar el propósito de este artículo, podemos decir que la velocidad nos ha fascinado a lo largo de toda nuestra historia, muchas actividades relacionadas con nuestra cotidianidad se originan gracias a cada uno de los conocimientos obtenidos acerca de la velocidad tanto subsónica, sónica y supersónica e inclusive de la hipersónica, ésta última relacionada sobre todo a la inspección de nuestro universo exterior.
Muchas personas han podido observar un determinado vuelo supersónico, y si ellos se encuentran dentro del ya conocido cono de Mach escucharan un gran ruido denominado estallido supersónico, esto se debe a que como ya expresamos estas ondas sonoras son longitudinales de presión, podemos decir que ha parte de los aviones supersónicos, también este fenómeno lo podríamos encontrar en el lanzamiento de proyectiles, las explosiones e incluso el sonido de la punta de un látigo produce un estallido sónico a pequeña escala.
Hasta otra oportunidad mis apreciados amigos y lectores de Hive.blog, en especial a los miembros de las grandes comunidades amigas de #stemsocial y #curie, por lo cual recomiendo ampliamente formar parte de estos ejemplares proyectos, debido a que resaltan la valiosa tarea de la academia y de esta forma de todo el campo científico.
Nota: Todas las imágenes fueron elaboradas usando la aplicación Power Point y el gif animado con la aplicación de PhotoScape.