Il muro del suono esiste davvero?

La frase “muro del suono” si sente molto quando si parla di mezzi fatti per andare a velocità supersoniche. Visto che siamo oggi riusciti a superare questo “muro” sorge spontaneo domandarsi cosa voglia davvero dire.

All’inizio, infatti, aveva un’accezione abbastanza diversa rispetto a oggi: fino agli anni ’40 si pensava che esistesse una “barriera” quasi fisica.

Questa convinzione derivava da due fattori differenti. Innanzitutto, più gli aerei andavano veloci e più faticavano ad incrementare ulteriormente la velocità per avvicinarsi a quella sonica, come se ci fosse un muro. Inoltre, in un’approssimazione di un’equazione utilizzata per il progetto di aerei in quegli anni, la curva diverge (va a infinito) quando ci si avvicina a Mach 1.

Il primo aereo civile supersonico, il Tupolev Tu 144. © Fonte

Il muro del suono matematicamente

Il primo effetto del muro del suono è il numero di Mach di divergenza della resistenza. Questo effetto deriva da un fenomeno che avviene precedentemente: il numero di Mach critico. Al raggiungimento del Mach critico, si hanno le prime regioni di flusso supersonico attorno all’aereo.

Bisogna ricordare che il funzionamento aerodinamico dell’ala provoca una accelerazione del flusso in alcuni punti, in altri viene rallentata. Di conseguenza, anche viaggiando più lentamente della velocità del suono, a un certo punto si può raggiungere la velocità del suono.

Quando la regione di velocità supersonica si allarga abbastanza da avere anche una regione di flusso rallentato, si crea un’onda d’urto. Quest’onda provoca un aumento di resistenza, seguito poi da una maggiore possibilità di separazione del flusso d’aria. Se il flusso separa, crea altra resistenza. La combinazione di questi effetti porta a quello che viene chiamato muro del suono: l’aumento di resistenza transonico (transonic drag rise).

Muro del suono
Il muro del suono, o singolarità di Prandtl-Glauert: un corpo sottoposto a pressione infinita a Mach 1. © Fonte

Questo fenomeno è chiamato anche Singolarità di Prandtl-Glauert, dal nome dei due studiosi che la ricavarono. La singolarità è però un’approssimazione matematica. Infatti, per alleggerire i calcoli, i due scopritori fecero l’ipotesi di poter linearizzare il comportamento. Questa ipotesi è valida solo per piccole differenze di pressione, e questo non viene rispettato quando ci si avvicina al muro del suono.

Matematicamente, l’equazione trovata da Prandtl e Glauert ha a denominatore il termine “1-Mach” che porta a una pressione infinita. Se questo fosse vero, non si potrebbe superare il muro del suono. Fortunatamente, nella realtà, l’unico fatto osservabile è l’aumento di resistenza transonico.

Quando poi l’intero aereo viaggia più veloce del suono la resistenza si riabbassa, assestandosi però a un valore maggiore di quella a velocità subsonica.

Altri effetti del viaggio a velocità transonica

Uno dei primi effetti scoperti avvicinandosi al muro del suono è stato il fenomeno del flutter. Il fenomeno è stato scoperto per primo dai collaudatori del Lockheed P 38 Lightning. Questo caccia della Seconda guerra mondiale, raggiunta la velocità di Mach 0.68, tendeva ad avere un blocco dei comandi durante la picchiata. Tutto questo per effetto della compressibilità dell’aria ad alte velocità.

Questi e simili effetti di accoppiamento tra modi di vibrare delle ali e dell’aria a una certa velocità sono stati notati da molti piloti che tentarono di superare il muro del suono. Infatti, si può leggere come tantissimi di questi tentativi siano finiti in tragedia. Tutto questo fino al ’47, quando Chuck Yeager, con il Bell X-1 dell’Aeronautica statunitense, riuscì a superare il muro del suono.

L’aereo su cui volò Yeager era però stato progettato per l’espresso motivo di superare la barriera del suono, a differenza dei precedenti aerei, che erano fatti per il volo subsonico. Tanto che anche adesso, solo gli aerei progettati per andare oltre la velocità del suono possono superare Mach 1.

Alessandro Mantani

Sono studente di ingegneria aeronautica full time, e altrettanto full time posso perdermi a parlare di tutto lo scibile umano, con una predilezione per i mezzi veloci o che hanno un grosso motore, per arrivare fino a cose che non c'entrano granché, come la filosofia o la letteratura.

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