Singularitats al voltant de la barrera del so

Hi ha fenòmens físics relativament espectaculars que quan els vols analitzar obliguen a exprimir-se una mica les neurones. Un exercici que serveix d’entrenament mental i que sempre està bé. És el que em va passar quan vaig veure imatges d’avions en el moment que trencaven la barrera del so i em va cridar l’atenció un curiós con de vapor que es formava al seu voltant.

El primer pensament va ser que era senzill d’explicar. Pensava (erròniament) que la pressió que experimentava l’aire com a conseqüència de la ona de xoc del soroll de l’avió augmentava la pressió fins fer que el vapor d’aigua condensés.

Trencar la barrera del so només vol dir que l’avió va més de pressa que la velocitat del so, uns 340 metres per segon. El so només és un canvi de pressió en l’aire. Estrictament un seguit de pujades i baixades de la pressió a la que l’aire està sotmès. Si l’avió que genera aquests canvis es mou més de pressa que la velocitat de les ones de pressió arriba un punt en que totes es van sumant en un únic front d’ona que acumula molta pressió i genera l’estampit característic de “trencar la barrera del so”.

Però el núvol que es forma ho fa per un motiu diferent i una mica més complicat. Com és normal, també el nom del fenomen és complicat: Singularitat de Prandtl-Glauert. Ah! I no només es veu en avions de combat. També es genera en els llançament de coets i en explosions nuclears.

Per començar, el núvol no es forma exactament al trencar la barrera del so sinó als voltants d’aquella velocitat. Pot aparèixer a velocitats una mica superiors o una mica inferiors. I el motiu és el seguit de canvis de pressió que experimenta l’aire. No és simplement un augment, sinó un augment, una baixada i una recuperació de la pressió. En realitat els detalls encara es discuteixen perquè hi intervenen fenòmens relacionats amb el caos i això sempre és complicat, però una aproximació sí que ens permet entendre el que passa.

Quan l’avió arriba a determinada velocitat, el so empeny les molècules de l’aire i la pressió puja molt, just després, quan l’aparell passa de llarg, la pressió cau en picat, i tot seguit es recupera la normalitat. Per això es parla de ona N, per el perfil dels canvis.

La clau es que en temes de gasos, la pressió i la temperatura acostumen a anar del bracet i si un canvia, l’altre també ho fa. Normalment es pot notar poc perquè la calor escapa al medi del voltant, però si els fenòmens tenen lloc molt de pressa (com ara un avió a mach 1) la calor no té temps d’escapar. Aleshores, l’aire s’escalfa o es refreda molt. En el cas de baixada de pressió, l’aire es refreda. És el mateix fenomen que explica que la cervesa surti freda quan demanes una canya. Dins el recipient està a pressió, al sortir baixa la pressió i el fluid es refreda.

Doncs la refredada momentània causada per la baixada de pressió fa que, si hi ha prou humitat, l’aigua de l’atmosfera que estava en forma de vapor, condensi en microgotetes i es generi el núvol durant uns segons. Estèticament és espectacular perquè la forma ens delimita el con de pressió generat per les ones de so.

Qui ho diu que la física no és bonica?

3 comentaris

  • Daniel Closa

    24/09/2014 21:39

    Daniel. Home. Això va a gustos. Hi ha qui flipa amb les galàxies i altres que al·lucinem amb els sistemes biològics. Cada cosa té el seu que.

    Joan. Sí. És clar. Pressió i temperatura són els factors clau, però els detalls amaguen la gràcia de les coses!
    Les canyes? Un refredament adiabàtic, no?

  • Joan Codina

    24/09/2014 20:58

    Però és més o menys el que pensaves tu de la pressió. Amb aquests temes jo sóc menys exacte. Acostumo a dir que són les variacions sobtades de pressió les que fan condensar l’aigua enlloc de dir en quina etapa del cicle es condensa.

    Hi ha un altre fenomen que dona colors semblants… Opalescencia crítica.

    Llavors amb les canyes no refrigeren?? Quina sorpresa que em dones. Ho hauré de mirar una mica

  • Daniel López

    24/09/2014 8:47

    Efectivament la física és bonica, però és especialment bonica quan s’utilitza per entendre el funcionament del sistemes biològics.