¿Qué son las ondas de choque y cómo se crean? » ABC de la ciencia

Las ondas de choque se producen cuando algo se mueve a una velocidad superior a la del sonido y provoca variaciones repentinas en las propiedades del fluido.

Cuando escuchas la palabra onda de choque, te vienen a la mente varias imágenes. El efecto de la explosión de una bomba es prominente. A menudo decimos que algunos grandes eventos como una elección causaron ondas de choque en todo el país, pero esas son ondas de choque figurativas. Incluso podrías estar pensando en el oscuro superhéroe de Marvel de ese nombre, pero eso también se está desviando del tema.

Exploremos qué significan las ondas de choque en física y cómo se crean.

¿Qué es una onda de choque?

Una onda de choque, como cualquier onda, es una perturbación que se mueve a través de un medio. Son frentes de onda delgados que provocan cambios bruscos de presión, temperatura y densidad del medio.

Las ondas de choque se producen en los flujos supersónicos. Esto es cuando algo viaja a una velocidad más rápida que la velocidad del sonido en el medio. Cuando una bala viaja con una velocidad mayor que la velocidad del sonido en el aire, obtenemos ondas de choque.

Para visualizar las ondas de choque, necesitamos técnicas de imagen especiales como la imagen de Schlieren para capturarlas.

Onda de choque de arco

Onda de choque de una bala capturada con imágenes de Schlieren. (Crédito de la foto: Nathan Boor/Wikimedia commons)

Si la onda de choque se produce en una dirección perpendicular a la dirección del flujo, se denominan choques normales. Si se producen en ángulo, se denominan ondas de choque oblicuas.

¿Cómo se forman las ondas de choque?

Antes de llegar al cómo, veamos el número de Mach. Es la relación entre la velocidad de un objeto que se mueve a través de un medio y la velocidad del sonido en ese medio. Entonces, la velocidad mach one se refiere a cuando un objeto se mueve a la velocidad del sonido, también llamada velocidad transónica.

Regímenes_de_flujo

El Número Mach.

Considere un bote que se mueve a través del agua. El bote se mueve a una velocidad más rápida que la velocidad de las olas en el agua. Así que las olas tienen que apartarse del camino. Esto da como resultado la estela que vemos.

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Un barco que se mueve a gran velocidad deja una larga estela. (Crédito de la foto: freevideophotoagency/Shutterstock)

Cuando un objeto se mueve a través de un medio a baja velocidad, el número de mach es menor que uno. Aquí, las ondas en el medio que se mueven hacia afuera serán simétricas o casi simétricas en todas las direcciones.

Cuando aumenta la velocidad, las ondas frente a él se comprimirán. Tendrán más frecuencia y las ondas detrás tendrán menos frecuencia. Las ondas de enfrente se aprietan cuanto más rápido se mueve el objeto, hasta llegar a la velocidad del sonido.

A la velocidad del sonido, el número de mach es igual a uno. Tendremos ondas apretándose y superponiéndose en la parte frontal del objeto.

¿Qué sucede una vez que el objeto en movimiento supera la velocidad del sonido? Las olas no pueden ajustarse o ponerse al día y se quedan atrás, por así decirlo. Las ondas que se arrastran crean la forma de un cono en expansión.

Número de Mach (M) = Velocidad del objeto Velocidad del sonido

Las ondas de choque se forman a velocidades supersónicas.

Ondas de choque a nuestro alrededor

¿Qué crea las ondas de choque? Los aviones supersónicos son uno obvio. Viajan a velocidades superiores a mach uno. Podemos ver en la imagen inferior un avión supersónico rompiendo la barrera del sonido. El cono de vapor es causado por la caída de temperatura y presión causada por las ondas de choque. Cuando las ondas de choque nos alcanzan, escuchamos el estampido sónico que asociamos con los aviones que pasan.

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Un avión supersónico rompiendo la barrera del sonido. (Crédito de la foto: Katerina_S/Shutterstock)

La siguiente ilustración muestra cómo se comportan las ondas en condiciones subsónicas, mecánicas y supersónicas.

Tráfico, onda, (transónico)

Cómo un avión supersónico crea ondas de choque (Crédito de la foto: Fouad A. Saad/Shutterstock)

Las balas que viajan a velocidades supersónicas generan ondas de choque. Esto es lo que causa el ‘crack’ de la bala que se puede escuchar cuando pasa junto a alguien. En el increíble video a continuación, puede ver cómo se capturan y analizan tales ondas con imágenes schlieren.

El sonido que se escucha al restallar un látigo es el resultado de ondas de choque débiles producidas por la punta que se mueve rápidamente. Sí, eso es correcto. La punta de un látigo viaja más rápido que la velocidad del sonido para crear ese chasquido.

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Hacer crujir un látigo. (Crédito de la foto: Bernd Zillich/Shutterstock)

El sonido del trueno es también un fenómeno de ondas de choque. El estallido de los petardos es el resultado de las ondas de choque. Las explosiones de bombas crean ondas de choque esféricas similares pero más grandes, que pueden derribar edificios si son lo suficientemente fuertes. El impacto de un meteorito también provocaría este tipo de ondas.

Más allá de aviones y bombas

Las ondas de choque se producen en los flujos supersónicos. Hablar de ondas de choque con ejemplos como aviones a veces puede limitar nuestras visualizaciones. Aquí estamos pensando en objetos que se mueven a velocidades supersónicas. También podemos estar pensando en un fluido que fluye a velocidades supersónicas a través de una tubería que se enfrenta a un cambio en algo, una variación en la forma o las dimensiones de la tubería, por ejemplo. Aquí también se crean ondas de choque.33

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