The Physics of Supersonic Free Fall e Race to Build a Quieter Concorde

Se vuoi costruire un razzo con un nuovo design audace, devi avere un modo per testare la sua integrità strutturale senza installare un motore. Non hai una galleria del vento, ma non sei pronto a concederti. Pensi a te stesso, "Cos'è il volo senza propulsione?" Quindi rispondi alla tua stessa domanda: "Cadendo". In parole povere, il modo più semplice per volare senza lanciare è crollare. Prendete un prototipo molto in alto, rilasciatelo e avrete un senso delle sue prestazioni alla velocità.

Il più importante operatore al mondo di arte della caduta di precisione è la Japan Aerospace Exploration Agency, o JAXA, che è fondamentalmente la versione giapponese della NASA. L'agenzia sta cercando di costruire un piano supersonico pratico, che non è una cosa facile. Iniziative simili in passato hanno creato prodotti mediocri, in particolare il Concorde.

Il Concorde era afflitto da problemi che impedivano ad altri aerei di adottare lo stesso tipo di design per il proprio mestiere. Uno dei maggiori problemi era l'eccesso di rumore. Il termine "boom sonico" non è un termine improprio: rompere la barriera del suono è un fenomeno follemente rumoroso. I costruttori hanno dovuto progettare l'aereo per impedire alle teste dei passeggeri di esplodere, e gli aerei di linea non potevano far volare l'aereo sulla terra poiché nessun essere umano sulla terra vuole essere sottoposto a tali suoni distruttivi. L'obiettivo di JAXA è quello di creare un aereo passeggeri supersonico più silenzioso. E lo sta testando attraverso test di caduta con un modello sperimentale in Svezia.

Come diavolo funziona? Fondamentalmente, un pallone solleva il modello del velivolo senza pilota - il Silent SuperSonic Concept Model di JAXA a circa 18.6 miglia in aria, e semplicemente lo lascia cadere. I sensori collegati all'aereo misurano le onde d'urto mentre l'aereo si avvicina alla velocità di Mach 1.39 in caduta libera.

La fisica di una caduta libera supersonica non è molto diversa da come agisce un oggetto che si muove più velocemente del suono su un piano orizzontale. L'aria diventa fortemente compressa di fronte all'aereo, che inonda un'ondata di alta pressione in tutte le direzioni. L'onda d'urto inizia a propagarsi nell'aria, ma si indebolisce man mano che si allontana, diventando un'onda sonora nel processo. Questa è l'esplosione rumorosa che sentiamo e chiama un boom sonico.

Per capire cosa c'è di speciale in una caduta libera supersonica, dovremmo dare un'occhiata più da vicino a cosa si riferiscono esattamente i numeri di Mach: il rapporto tra la velocità dell'oggetto alla velocità del suono in un luogo particolare. E la velocità del suono è soggetta a cambiamenti di temperatura e pressione - ad altitudini più elevate, la velocità del suono diminuisce, quindi un oggetto non ha bisogno di viaggiare necessariamente alla stessa velocità per raggiungere Mach una dozzina di miglia nell'aria mentre fa al livello del mare. (La velocità del suono al livello del mare è di circa 760 miglia all'ora).

Inoltre, Mach 1 è un ambiente altamente instabile a causa dell'onda d'urto creata rompendo la barriera del suono. Anche i piccoli movimenti possono avere effetti fisici molto forti sull'oggetto. Il posto peggiore è fondamentalmente tra Mach 0.9 e 1.2.

Quindi, quando un oggetto si muove a velocità supersoniche in caduta libera, è nella posizione insolita di accelerare più velocemente mentre il suo numero Mach aumenta ad una velocità inferiore. Si impiega più tempo nella zona Mach instabile rispetto a quando si muove su un piano orizzontale. La maggior parte dei piani è progettata per superare Mach 1 ed entrare in una zona di sicurezza il più rapidamente possibile. Non puoi testare qualcosa del genere in un esperimento di caduta libera.

La velocità si risolve anche a causa della resistenza. Questo è quello che è accaduto probabilmente nell'istanza più famosa di un oggetto che si muove più velocemente del suono per gravità: il salto di Felix Baumgartner nel 2012 da circa 23 miglia in aria, per diventare il primo sommozzatore a rompere la barriera del suono senza l'uso di un aereo. Quando Baumgartner cadde sulla Terra, alla fine smise di accelerare a causa della collisione con le molecole d'aria, creando una "forza di resistenza" che si costruì come resistenza aerea finché divenne uguale e opposta alla forza di gravità. A questo punto, Baumgartner aveva raggiunto la massima velocità.

Infatti, mentre la maggior parte degli oggetti che raggiungono velocità terminale starebbero semplicemente a una velocità costante, Baumgartner ha effettivamente iniziato a rallentare, poiché l'atmosfera circostante inizia a diventare più spessa e spessa quando un oggetto in caduta libera si sposta verso il basso. Quindi la velocità terminale inizia a diminuire, il che significa che anche Baumgartner ha iniziato a rallentare. La stessa cosa succederebbe presumibilmente a uno dei piani Silent SuperSonic Concept Model che sta testando JAXA.

La scienza, come la maggior parte delle altre cose nella vita, è più fresca quando è più veloce.