Visualizando las ondas de choque

El otro día me encontraba dando una clase para pilotos que efectúan la transición de la hélice al reactor. Parte del programa consiste en clarificar las diferencias entre el pilotaje de un turbohélice y el de una turbina de gas. Llegamos a la parte donde tenemos que hablar sobre el ala en flecha, el perfil supercrítico y por supuesto las ondas de choque y el efecto llamado Mach Tuck. 

Cuando explicaba las ondas de choque, uno de los alumnos me hizo saber que estas podían verse desde la cabina en ciertas condiciones. Puse cara de sorpresa y le contesté que yo nunca las había visto (siempre he creído que eran invisibles y solo se podían visualizar en los túneles de viento). Le dije que si a lo que él se refería era a la condensación sobre las alas, eso no eran las ondas de choque. El alumno insistió en que él mismo las había visto cuando viajaba de pasajero en una aerolínea. Me indicó que casi son imperceptibles y que tienes que mirar a través de ellas muy atentamente para poder detectarlas. 

Me picó la curiosidad y acudí al "pozo de la sabiduría" (léase Internet). Allí encontré estos vídeos que muestro a continuación y que personalmente encuentro fascinantes. En los vídeos se puede ver como sobre el ala se forma una diminuta línea o una especie de sombra, que parece moverse. Al principio pensé que se podía tratar de un defecto del cristal de la ventanilla por la que se estaba filmando, pero una vez visto el vídeo varias veces, parece que no existe tal deformación en el cristal (existen varios vídeo de aviones distintos). Lo que se muestra en ellos parece que verdaderamente se trataba de ondas de choque. No contento con observar este fenómeno en el ala probé con otras partes del avión. Sabido es que las ondas de choque se pueden formar en cualquier parte del fuselaje. Efectivamente, encontré un vídeo que muestra una de estas ondas en la parte delantera del difusor de entrada de un motor. En este vídeo del motor hay que estar muy atentos y mirar el paisaje detrás de la onda de choque. Este se deforma por la difracción de la luz que crea la onda. Impresionante. Esto ocurre raras veces, pues deben de coincidir unas condiciones muy específicas en cuanto a luz, temperatura, densidad, etc.

¿Puede ver el lector las ondas en el ala? Hay que fijarse bastante.

Mach Crit

La velocidad de un moderno avión comercial oscila entre el Mach 0.7 y 0.9. Esto quiere decir que se encuentra dentro del régimen transónico. El avión vuela normalmente por debajo de la velocidad del sonido, pero pueden existir zonas (normalmente en la parte del extradós del ala) donde el flujo de aire se acelera y llega (pero no supera) el régimen supersónico. La velocidad del avión en la que comienza por primera vez a producirse esta zona supersónica es lo que se denomina Mach Crítico o MCrit. En otras palabras, el Mach Crit es la frontera que separa el régimen transónico del supersónico. Este límite depende en gran medida del diseño del perfil alar.

¿Se puede superar el Mach Crit?

Un moderno avión comercial es más eficiente cuando vuela en régimen de crucero cerca de su Mach Crit. Superar esta velocidad es posible, pero no recomendable. El vuelo por encima del Mach Crit es muy ineficiente, pues la resistencia aerodinámica que se crea en la onda de choque es enorme. Se suele establecer un límite de entre un 5% y un 10% por encima del Mach Crit, donde el vuelo comienza a ser extremadamente ineficiente debido a los efectos de la compresibilidad. 

En la ilustración superior se puede ver que el incremento de la resistencia es brutal cuando se pasa entre un 5 y un 10% por encima del Mach Crit. Asociados al incremento de la resistencia también llegan las vibraciones, la inestabilidad y una disminución de la autoridad de las superficies de vuelo. Todo esto y mucho más se explica de una forma muy clara y muy didáctica en este vídeo Británico de los tiempos de María Castaña la Shell Oil que se muestra debajo. Para eso los british junto con la norteamericanos son geniales. El vídeo está en inglés, pero merece la pena ver las imágenes que hablan por si solas. Además salen los Hunter, los Vampire y los Lightning entre otros :)