Superare il “MURO” del suono

Avete sicuramente già sentito parlare di “superare il muro del suono” e probabilmente vi sarà capitato di imbattervi in immagini di questo tipo, dove un jet crea uno strano cono di “aria” quando raggiunge la velocità ultrasonica, giusto?

Jet supera il muro del suono

A cos’è dovuto quel cono e cos’è il muro del suono?

Per capirlo, mettiamo le fondamenta al ragionamento successivo: che cos’è il suono?
Il suono è una vibrazione che si propaga in un mezzo, che non dev’essere per forza l’aria. A seconda del mezzo in cui si propaga la velocità del suono cambia: nell’aria raggiunge la apparentemente altissima velocità di circa 1200 km/h (varia in base alla temperatura).
In realtà 1200 km/h non sono poi tanti se confrontati con la velocità della luce (circa 300.000 km al SECONDO), e questa differenza di velocità è evidente anche a noi poveri umani in molte occasioni… ad esempio quando guardiamo i fuochi d’artificio a poche centinaia di metri da noi il suono è palesemente in ritardo rispetto alla luce delle esplosioni in aria!

Ok quindi, ma come mai se un jet raggiunge questa velocità si genera un’onda d’urto che non solo è visibile, ma è anche udibile a grandi distanze, come se avenisse uno scoppio?

Passiamo alla parte intessante, dandoci una mano con queste utili immagini:

Velocità inferiore a quella del suono

Velocità inferiore a quella del suono

Come sappiamo il suono generato da un oggetto in movimento viene percepito più acuto se la fonte del suono viaggia nella nostra direzione, viceversa è meno acuto se si allontana da noi (pensate al suono dell’ambulanza che si avvicina e si allontana): è l’effetto Doppler.
Nell’immagine sottosi capisce il perchè: a causa del movimento dell’oggetto verso destra le onde sonore sono molto più “vicine” (ad alta frequenza) nella direzione del movimento, mentre sono più “lontane” (a bassa frequenza) nel verso opposto.
Per restare nell’esempio dell’ambulanza: la sirena emette onde concentriche attorno a sè ma dato che non è immobile il centro delle onde si sposta con lei, “schiacciando” la frequenza nella direzione del movimento (e maggior frequenza significa suoni più acuti).

effettoDoppler

Animazione Effetto Doppler (wiki)

Quando la fonte che genera il suono è così veloce da raggiungere la velocità di 1200 km all’ora il suono non riesce a estendersi nella direzione in cui si muove l’oggetto, perchè il centro delle onde concentriche si sposta verso destra alla stessa velocità con cui le onde si estenderebbero in quella direzione:

Bang sonico

Velocità uguale a quella del suono

Questa situazione molto particolare causa la sovrapposizione delle onde in un cono, si viene così a creare una vera e propria barriera di pressione visibile anche ad occhio nudo: il “muro” del suono!

Questo effetto non è da sottovalutare, basta pensare che durante la seconda guerra mondiale alcuni aerei che cercavano di superare la velocità del suono attaccando le navi in picchiata finivano distrutti non riuscendo a sopportare questo aumento di pressione causato dalle onde sonore!!!

Parliamo ora del rumore causato dal superamento della velocità del suono.

Prima di tutto: il “boom sonico” in realtà sono due boom!

Questi “bang” sono conseguenza del cambio di pressione che si ha tra la punta dell’aereo (altissima pressione, primo bang), la sua coda e il successivo ritorno alla pressione normale (secondo bang) quando si raggiunge la velocità del suono.

Non bisogna andare per forza su un jet per provare questo particolare effetto, basta allenarsi un po’ con una frusta (se usata correttamente infatti la punta supera la velocità del suono durante il movimento)!!!

La forza del boom sonico dipende dalla quantità d’aria spostata e quindi dalle dimensioni dell’oggetto ad alta velocità (ecco perchè la frusta non fa tanto rumore).

Rimando ad un altro articolo le spiegazioni su cosa succede quando ci si avvicina alla velocità della luce… altro che boom sonico!

  • Urca! Un’altro! 😛
    Eh eh, sono curioso.. 😉

  • Oltre al Concorde e Tu-144 progettati per questo scopo, anche i primi aerei passeggeri erano in grado di raggiungere velocità supersoniche. Il 21 agosto 1961 un Douglas DC-8 ruppe il muro del suono a Mach 1.012 (660 mph ) mentre era in crociera a 41.088 ft . Il velivolo fu in grado di raggiungere il risultato grazie allo sviluppo di un nuovo bordo d’attacco totalmente ridisegnato per quanto riguardava le ali.

  • Nicholas

    Interessante! Tema che ho sempre faticato a capire, quindi ti chiedo qualche cosa, che di sicuro ne sai più di me.
    Ti ringrazio in anticipo se hai tempo per rispondermi (anzi ti ringrazio in ogni caso per l’articolo!).

    In pratica il muro del suono è una compressione di molecole d’aria?
    Se il pilota potesse ascoltare il rumore non sarebbe in grado di sentirlo perchè il suono viaggiando più lentamente non lo raggiungerebbe?
    E una volta superato questo limite, cosa succede all’aereo? Continua a creare e sfondare muri? In qualche modo continuerà a comprimere l’aria davanti a se immagino…

    • Ciao Nicholas, il pilota non si accorge di aver superato il muro del suono perchè il rumore generato, come dici tu, viaggia più lentamente dell’aereo e non può raggiungere i passeggeri.
      Ci sono anche delle testimonianze di persone che sul Concorde (famoso aereo per passeggeri che superava il muro del suono) non si accorgevano di nulla (c’era il pilota che comunicava l’avvenuto sorpasso del muro del suono).

      Una volta superata questa velocità limite l’aereo non sfonderà più alcun “muro” di pressione, perchè le onde generate dal suono non si sovrapporranno più, vedi quest’immagine:
      Immagine velocità ultrasonica

      Nell’immagine (3-velocità supersonica) il suono si propaga all’indietro, mentre nella (2-velocità del suono), le onde sonore si accavallano una sull’altra creando la barriera di pressione di cui ho parlato nel post.

      Ciao

  • Nicholas

    Spiegazione chiara e puntuale!
    Grazie!

  • Davide

    Ciao, è la prima volta che commento un tuo articolo anche se ne ho letti molti, e colgo l’occasione per farti i complimenti e ringraziarti per l’ottimo materiale pubblicato.
    Tornando in tema, questo argomento mi affascina molto e prima di leggere il tuo articolo ho cercato molto su internet spiegazioni esaurienti del fenomeno anche se ho trovato spesso affermazioni contrastanti.

    Molte volte mi capita di leggere che il boom sonico viene prodotto continuamente quando il velivolo si sposta in regime ultrasonico. in effetti, come da tua risposta al commento precedente, non esiste più una barriera di pressione davanti all’aereo, quindi è impossibile ottenere altri bang giusto?

    Mi era sempre rimasto questo dubbio, prima di leggere il tuo articolo. Anche perchè poi, guardando i video dei decolli/atterraggi dello space shuttle si sentono solamente i due boom di prua e coda e basta, mentre secondo la teoria del boom sonico continua si sarebbero dovuti sentire continuamente dei boati credo…

    Avrei comunque una domanda da porti: una persona che assiste ad un passaggio di un aereo che vola per esempio a mach 2 cosa avverte? Vede passare prima l’aereo e poi avverte il normale rumore dell’aereo? In tutti i video in rete si vede sempre l’aereo arrivare, fare il cono di condensa e poi si avverte il boom sonico. In questi casi si tratta sempre di aerei in volo ad un regime transonico che stanno per rompere la barriera del suono proprio in quell’istante?

    Chiedo venia per essermi dilungato troppo, ma è un argomento che mi interessa molto e vorrei essere sicuro di capirlo al 100%.
    Ti ringrazio anticipatamente, se avrai il tempo e la voglia di rispondermi.

  • Chiara

    Argomento affascinante, spiegato anche bene! Mi sorge però una domanda, cosa succede quando l’aereo passa da una velocità supersonica a una subsonica, in particolare si può dire che l’aereo subisca una sottospecie di “rinculo” causato dalla grande compressione di aria appena generata?
    Ho visto anche un paio di video in cui un aereo supera il muro del suono, inteso come la barriera di aria compressa, che è ben visibile “all’andata”, mentre “al ritorno” non compare. Sapresti spiegarmi il perché?
    Spero tu riesca a trovare il tempo per rispondermi, grazie mille anticipati!

    • Ciao Chiara, bella domanda la tua!
      In effetti tutti parlano di “bang” sonico solo quando si supera la velocità del suono, ma visto che il suono caratteristico nasce a causa della sovrapposizione delle onde sonore direi che il bang si dovrebbe sentire anche rallentando fino alla velocità del suono.

      Dove hai visto i video “incriminati”?

      • Chiara

        su youtube ce ne sono tanti, più che altro mi piacerebbe sapere se accade qualcosa, per esempio se l’aereo passa la barriera “al contrario”, o se invece dal punto di vista dell’aereo non si avverte nulla.

        Questo breve video secondo me è un buon esempio si riesce a vedere che l’areo passa la barriera di aria compressa più volte consecutivamente in poco tempo: per passarla di nuovo significa che ha rallentato e poi ha raggiunto nuovamente la velocità del suono. Il problema è che non si nota il fatto che sia tornato a una velocità subsonica, sapresti dirmi il perché?

  • Elisabetta

    Ciao. … Secondo i miei calcoli la velocità del suono, se è di 1200 km/h, non riesce a raggiungere i 1200 m/s ma solo 400 circa. Dato che non sono molto ferrata in materia. … è possibile?

    • Ciao Elisabetta, per convertire da km/h a m/s devi dividere per 3,6, quindi 1200 km/h sono 333 metri al secondo.

      Quindi sì, c’è un errore nell’articolo, ora correggo, grazie!

  • Michele Giulio Pellegrino

    Ciao! Volevo chiederti se, a parità di velocità e massa di un oggetto, la sua forma e le sue dimensioni possano modificare l’intensità del bang sonico.
    Per esempio, un proiettile Supersonico .50 (12.7mm) ed un proiettile altrettanto veloce e pesante, ma calibro .338, avranno due boom diversi a causa delle diverse sezioni frontali?
    Grazie

  • Meri

    “Quando la fonte che genera il suono è così veloce da raggiungere la velocità di 1200 km al secondo”

    Non penso che raggiunga i 1200 km al SECONDO…

    • Giusto, sono km all’ora, ovviamente.
      Correggo!

    • Roger Ceresero

      1200 km/h

  • Maricla

    Ciao scusa volevo chiedere, una volta superata questa “barriera” il suono viene percepito diversamente?