Humans have been fascinated with speed for ages. The history of human progress is one of ever-increasing velocity, and one of the most important achievements in this historical race was the breaking of the sound barrier. Not long after the first successful airplane flights, pilots were eager to push their planes to go faster and faster. But as they did so, increased turbulence and large forces on the plane prevented them from accelerating further. Some tried to circumvent the problem through risky dives, often with tragic results. Finally, in 1947, design improvements, such as a movable horizontal stabilizer, the all-moving tail, allowed an American military pilot named Chuck Yeager to fly the Bell X-1 aircraft at 1127 km/h, becoming the first person to break the sound barrier and travel faster than the speed of sound. The Bell X-1 was the first of many supersonic aircraft to follow, with later designs reaching speeds over Mach 3. Aircraft traveling at supersonic speed create a shock wave with a thunder-like noise known as a sonic boom, which can cause distress to people and animals below or even damage buildings. For this reason, scientists around the world have been looking at sonic booms, trying to predict their path in the atmosphere, where they will land, and how loud they will be. To better understand how scientists study sonic booms, let's start with some basics of sound. Imagine throwing a small stone in a still pond. What do you see? The stone causes waves to travel in the water at the same speed in every direction. These circles that keep growing in radius are called wave fronts. Similarly, even though we cannot see it, a stationary sound source, like a home stereo, creates sound waves traveling outward. The speed of the waves depends on factors like the altitude and temperature of the air they move through. At sea level, sound travels at about 1225 km/h. But instead of circles on a two-dimensional surface, the wave fronts are now concentric spheres, with the sound traveling along rays perpendicular to these waves. Now imagine a moving sound source, such as a train whistle. As the source keeps moving in a certain direction, the successive waves in front of it will become bunched closer together. This greater wave frequency is the cause of the famous Doppler effect, where approaching objects sound higher pitched. But as long as the source is moving slower than the sound waves themselves, they will remain nested within each other. It's when an object goes supersonic, moving faster than the sound it makes, that the picture changes dramatically. As it overtakes sound waves it has emitted, while generating new ones from its current position, the waves are forced together, forming a Mach cone. No sound is heard as it approaches an observer because the object is traveling faster than the sound it produces. Only after the object has passed will the observer hear the sonic boom. Where the Mach cone meets the ground, it forms a hyperbola, leaving a trail known as the boom carpet as it travels forward. This makes it possible to determine the area affected by a sonic boom. What about figuring out how strong a sonic boom will be? This involves solving the famous Navier-Stokes equations to find the variation of pressure in the air due to the supersonic aircraft flying through it. This results in the pressure signature known as the N-wave. What does this shape mean? Well, the sonic boom occurs when there is a sudden change in pressure, and the N-wave involves two booms: one for the initial pressure rise at the aircraft's nose, and another for when the tail passes, and the pressure suddenly returns to normal. This causes a double boom, but it is usually heard as a single boom by human ears. In practice, computer models using these principles can often predict the location and intensity of sonic booms for given atmospheric conditions and flight trajectories, and there is ongoing research to mitigate their effects. In the meantime, supersonic flight over land remains prohibited. So, are sonic booms a recent creation? Not exactly. While we try to find ways to silence them, a few other animals have been using sonic booms to their advantage. The gigantic Diplodocus may have been capable of cracking its tail faster than sound, at over 1200 km/h, possibly to deter predators. Some types of shrimp can also create a similar shock wave underwater, stunning or even killing pray at a distance with just a snap of their oversized claw. So while we humans have made great progress in our relentless pursuit of speed, it turns out that nature was there first.
A los humanos nos fascina la velocidad desde siempre. La historia del progreso humano crece a pasos agigantados, y uno de los logros más importantes en esta carrera histórica fue la ruptura de la barrera del sonido. No mucho después de los primeros vuelos exitosos de avión, los pilotos tenían ansias de más velocidad. Pero a la vez, las intensas turbulencias y la gran presión ejercitada sobre el avión le impedían acelerar más. Algunos trataron de eludir el problema mediante inmersiones de riesgo, a menudo con resultados trágicos. Por último, en 1947, mejoras en el diseño como un estabilizador horizontal móvil y la cola móvil, permitieron que un piloto militar estadounidense llamado Chuck Yeager volara el avión Bell X-1 a 1127 km/h. convirtiéndose en la primera persona en cruzar la barrera del sonido y viajar más rápido que la velocidad del sonido. El Bell X-1 fue el primero de muchos aviones supersónicos que siguieron, con diseños posteriores que alcanzaron velocidades por encima de Mach 3. Volar a velocidad ultrasónica crea una onda de choque con un ruido como de trueno conocido como estampido sónico, que puede causar angustia a la gente y animales en tierra o incluso dañar edificios. Por esta razón, científicos de todo el mundo han estudiado los estampidos sónicos, tratando de predecir su trayectoria en la atmósfera, dónde van a aterrizar, y lo estruendoso que será. Para entender mejor cómo estudian los científicos los estampidos sónicos, empecemos con algunos conceptos básicos del sonido. Imagina que lanzas una piedra pequeña en un estanque tranquilo. ¿Qué ves? La piedra hace que las ondas viajen en el agua a la misma velocidad en cada dirección. Estos círculos que siguen creciendo en un radio se llaman frentes de onda. Del mismo modo, aunque no lo veamos, una fuente de sonido estacionaria, como un equipo de música estéreo, crea ondas sonoras que viajan hacia el exterior. La velocidad de las ondas depende de factores como la altitud y la temperatura del aire por la que se mueven. A nivel del mar, el sonido viaja a unos 1225 km/h. Pero en lugar de círculos en una superficie bidimensional, los frentes de onda ahora son esferas concéntricas, con el sonido que viaja en rayos en forma perpendicular a estas ondas. Imagina una fuente de sonido en movimiento, como el silbato de un tren. Conforme la fuente se sigue moviendo en una cierta dirección, las ondas sucesivas en su frente se irán agrupando más y más. Esta mayor frecuencia de la onda es la causa del famoso efecto Doppler, donde los objetos que se acercan tienen sonido más agudo. Siempre que la fuente se esté moviendo más lento que las ondas sonoras, permanecerán anidadas una dentro de otra. Cuando un objeto se vuelve supersónico, se mueve más rápido que el sonido, esa imagen cambia drásticamente. A medida que supera las ondas sonoras que ha emitido, mientras genera nuevas ondas desde su posición actual, las ondas ejercen fuerzas mutuas formando un cono de Mach. No se oye sonido cuando se aproxima a un observador porque el objeto se desplaza más rápido que el sonido que produce. Solo después que el objeto ha pasado el observador oirá el estampido sónico. Cuando el cono de Mach toca el suelo se forma una hipérbola, dejando un rastro conocido como alfombra auge conforme avanza. Esto permite determinar el área afectada por una explosión sónica. ¿Cómo se puede medir el estruendo de un estampido sónico? Para eso se deben resolver las famosas ecuaciones de Navier-Stokes, para encontrar la variación de presión en el aire producida por la aeronave supersónica que lo atraviesa. Esto da lugar a la firma de presión conocida como onda N. ¿Qué significa esta figura? Bueno, se produce el estampido sónico si hay un cambio repentino en la presión, y la onda N implica dos estampidos: uno por el aumento de presión inicial en la nariz de la aeronave, y otro cuando pasa la cola y la presión, de repente, vuelve a la normalidad. Esto provoca una doble estampida, pero por lo general el oído humano la escucha como una sola. En la práctica, los modelos informáticos que usan estos principios a menudo pueden predecir la ubicación y la intensidad de los estampidos sónicos para condiciones atmosféricas y trayectorias de vuelo dadas, y hay investigaciones en curso para mitigar sus efectos. Mientras tanto, el vuelo supersónico sobre la tierra sigue estando prohibido. ¿Son los estampidos sónicos una creación reciente? No exactamente. Mientras tratamos de encontrar maneras de silenciarlos algunos otros animales han usado estampidos sónicos en su beneficio. El Diplodocus gigante pudo haber sido capaz de agitar su cola más rápido que el sonido, a más de 1200 km/h, quizá para disuadir depredadores. Algunos tipos de camarones pueden crear una onda de choque similar bajo el agua, y aturdir o incluso matar a la presa a distancia con solo un chasquido de sus garras de gran tamaño. Así, mientras los humanos hemos hecho grandes progresos en nuestra búsqueda incesante de velocidad, resulta que la naturaleza llegó allí antes.