Il problema del Sonic Boom – Katerina Kaouri

Durante la storia del progresso tecnologico, gli uomini hanno sempre cercato di raggiungere velocità sempre più elevate. Durante la nostra era storica abbiamo raggiunto un importante pietra miliare nell’ambito della velocità: il superamento della velocità del suono. Poco dopo il primo volo, i piloti hanno cercato di spingere al massimo la velocità dei nuovi aerei. Man mano che la velocità aumenta, i piloti incontravano forti turbolenze che rallentavano la loro accelerazione. Per vincere questa resistenza si cimentavano spesso in rischiosi voli in picchiata non esenti da tragici incidenti. Nel 1947 l’introduzione degli stabilizzatori orizzontali controllabili nella coda ha permesso al pilota americano Chuck Yeager di raggiungere la velocità di 1127 km/h con il Bell X1, diventando la prima persona al mondo ad infrangere il muro del suono. Ad oggi diversi modelli di aerei arrivano a superare anche 3 volte la velocità del suono. 

Raggiunta la velocità del suono gli aerei creano un effetto chiamato “Sonic boom” (boato sonico), il quale può creare problemi ad esseri umani ed animali o addirittura danneggiare edifici. Per questo motivo gli scienziati hanno cominciato a studiare i Sonic Boom, cercando di prevedere la loro traiettoria e la loro intensità. Per capire il loro funzionamento consideriamo alcuni concetti base del suono. Considerate una pozza d’acqua, se lanciamo un sasso sulla superficie calma si creano cerchi concentrici che si allontanano dal punto di partenza, queste linee sono chiamate fronti d’onda. Allo stesso modo, una fonte di suono statica crea onde sonore che si propagano similmente alle increspature dell’acqua. Queste onde si propagano in uno spazio tridimensionale come sfere concentriche. La velocità di queste onde dipende da pressione e temperatura, a livello del mare il suono viaggia a 1225 km/h. 

Ora consideriamo una fonte di suono in movimento, come un treno. In questo caso le onde che si propagano nella direzione del movimento saranno più vicine di quelle retrostanti e viceversa, facendoci sentire lo stesso suono ad un tono più o meno alto in base al fatto che la sua sorgente si stia avvicinando o allontanando, fenomeno chiamato effetto Doppler. Questa situazione si modifica però quando la fonte del suono diventa supersonica. Poiché la fonte del suono si muove più velocemente del fronte di propagazione del suono, le onde sonore diventano compresse le une sulle altre formando un cono.

All’avvicinarsi dell’aereo supersonico, nessun suono viene percepito da un osservatore, solamente dopo che questo è passato oltre l’osservatore, questi potrà sentire il Sonic Boom. Nella zona d’incontro del cono sul suolo si forma una iperbola, che lascia una scia chiamata “Boom Carpet” (tappeto del boato). Calcolando la traiettoria del Boom Carpet è quindi possibile determinare l’area che può essere affetta dal Sonic Boom. Per capire invece quanto forte può essere l’effetto di un Sonic Boom bisogna risolvere l’equazione di Navier Stokes, che permette di comprendere la variazione di pressione dell’aria dovuta al volo dall’aereo supersonico. Quest’equazione permette di comprendere la forma della onda N. Quest’onda indica i cambiamenti di pressione che determinano un Sonic Boom. Tipicamente si tratta di due distinti variazioni di pressione che risultano in due boati consecutivi, sebbene spesso solo uno di questi viene percepito. Il primo boato è dovuto all’innalzamento di pressione determinato dal passaggio della testa dell’aereo e l’altro dovuto all’improvvisa riduzione di pressione dopo il passaggio della coda. Con questi parametri è quindi possibile determinare le zone a rischio durante un Sonic Boom. 

Quella dei Sonic Boom non è una novità nella storia della terra. Mentre per noi uomini questi eventi sono un problema associato al volo supersonico, altri animali sono riusciti ad usarli a loro vantaggio. Ad esempio il gigantesco Diplodious potrebbe essere stato in grado di schioccare la sua coda ad une velocità supersonica allo scopo di scacciare eventuali predatori. Tutt’oggi esistono alcuni tipi di gamberi in grado di chiudere le loro chele a velocità supersoniche producendo onde d’urto in grado di stordire o uccidere eventuali prede.

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