estallido sónico

Un estampido sónico es un sonido asociado a las ondas de choque que se producen cuando un objeto viaja por el aire a una velocidad superior a la del sonido . Los estampidos sónicos generan enormes cantidades de energía sonora , con un sonido similar al de una explosión o un trueno para el oído humano.

El chasquido de una bala supersónica al pasar por encima, el chasquido de un látigo y el crujido de una toalla enrollada son ejemplos de pequeños estampidos sónicos. ^{[ 2 ]}

Las explosiones sónicas producidas por grandes aeronaves supersónicas pueden ser particularmente fuertes y sorprendentes, tienden a despertar a las personas y pueden causar daños menores a algunas estructuras . Esto llevó a la prohibición de los vuelos supersónicos rutinarios sobre tierra. Si bien las explosiones sónicas no se pueden prevenir por completo, las investigaciones sugieren que, con un diseño cuidadoso del vehículo, las molestias causadas por las explosiones sónicas pueden reducirse hasta el punto de que los vuelos supersónicos sobre tierra podrían convertirse en una opción viable. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

El estampido sónico no se produce únicamente en el momento en que un objeto supera la barrera del sonido , ni se escucha en todas direcciones proveniente del objeto supersónico. Más bien, el estampido es un efecto continuo que se produce mientras el objeto viaja a velocidades supersónicas y afecta solo a los observadores situados en un punto que intersecta una región con forma de cono geométrico detrás del objeto. A medida que el objeto se mueve, esta región cónica también se desplaza detrás de él, y cuando el cono pasa sobre los observadores, estos experimentan brevemente el "estruendo".

Cuando una aeronave atraviesa el aire, crea una serie de ondas de presión delante y detrás de ella, similares a las olas que genera un barco al chocar contra la proa y la popa . Estas ondas viajan a la velocidad del sonido y, a medida que aumenta la velocidad del objeto, se comprimen porque no pueden separarse lo suficientemente rápido. Finalmente, se fusionan en una única onda de choque que viaja a la velocidad del sonido, una velocidad crítica conocida como Mach 1 , que es aproximadamente 1192 km/h (741 mph) a nivel del mar y 20 °C (68 °F) .    

En vuelo suave, la onda de choque comienza en la nariz de la aeronave y termina en la cola. Debido a que las diferentes direcciones radiales alrededor de la dirección de desplazamiento de la aeronave son equivalentes (dada la condición de "vuelo suave"), la onda de choque forma un cono de Mach , similar a un cono de vapor , con la aeronave en su extremo. El semiángulo${\displaystyle \alpha }$La relación entre la dirección del vuelo y la onda de choque viene dada por:

${\displaystyle \sin \alpha ={\frac {v_{\text{sonido}}}{v_{\text{objeto}}}}}$,

dónde ${\displaystyle {\tfrac {v_{\text{sonido}}}{v_{\text{objeto}}}}}$es lo inverso${\displaystyle {\tfrac {1}{\mathrm {Ma} }}}$del número Mach del avión${\displaystyle \mathrm {Ma} ={\tfrac {v_{\text{objeto}}}{v_{\text{sonido}}}}}$Por lo tanto, cuanto más rápido viaja el avión, más fino y puntiagudo es el cono.

Se observa un aumento de presión en la nariz, que disminuye gradualmente hasta alcanzar una presión negativa en la cola, seguido de un retorno repentino a la presión normal tras el paso del objeto. Este perfil de sobrepresión se conoce como onda N debido a su forma. El estallido se produce cuando hay un cambio repentino de presión; por lo tanto, una onda N genera dos estallidos: uno cuando el aumento inicial de presión alcanza a un observador y otro cuando la presión vuelve a la normalidad. Esto da lugar a un característico doble estallido en un avión supersónico. Durante las maniobras, la distribución de presión cambia, adoptando diferentes formas, con una característica forma de onda U.

Dado que el estampido se genera continuamente mientras la aeronave sea supersónica, llena una estrecha franja en el suelo que sigue la trayectoria de vuelo de la aeronave, un poco como una alfombra roja desplegándose , y por eso se la conoce como alfombra de estampido . Su anchura depende de la altitud de la aeronave. La distancia desde el punto en el suelo donde se oye el estampido hasta la aeronave depende de su altitud y del ángulo.${\displaystyle \alpha }$.

Para las aeronaves supersónicas actuales en condiciones normales de operación, la sobrepresión máxima varía de menos de 50 a 500 Pa (1 a 10 psf (libras por pie cuadrado)) para un estampido de onda N. Las sobrepresiones máximas para ondas U se amplifican de dos a cinco veces en comparación con la onda N, pero esta sobrepresión amplificada impacta solo un área muy pequeña en comparación con el área expuesta al resto del estampido sónico. El estampido sónico más fuerte jamás registrado fue de 7000 Pa (144 psf) y no causó lesiones a los investigadores que estuvieron expuestos a él. El estampido fue producido por un F-4 volando justo por encima de la velocidad del sonido a una altitud de 100 pies (30 m) . ^{[ 5 ]} En pruebas recientes, el estampido máximo medido durante condiciones de vuelo más realistas fue de 1010 Pa (21 psf). Existe la probabilidad de que algún daño, como cristales rotos, resulte de un estampido sónico. Los edificios en buen estado no deberían sufrir daños por presiones de 530 Pa (11 psf) o menos. Además, por lo general, la exposición de la comunidad al estampido sónico es inferior a 100 Pa (2 psf). El movimiento del suelo resultante del estampido sónico es poco frecuente y se encuentra muy por debajo de los umbrales de daño estructural aceptados por la Oficina de Minas de EE. UU. y otras agencias. ^{[ 6 ]} 

La potencia, o volumen, de la onda de choque depende de la cantidad de aire que se acelera y, por lo tanto, del tamaño y la forma de la aeronave. A medida que la aeronave aumenta su velocidad, el cono de choque se estrecha alrededor de la misma y se debilita hasta el punto de que, a velocidades y altitudes muy elevadas, no se oye ningún estampido. La "longitud" del estampido, de adelante hacia atrás, depende de la longitud de la aeronave elevada a la potencia de 3/2 . Por consiguiente , las aeronaves más largas "extienden" sus estampidos más que las más pequeñas, lo que resulta en un estampido menos potente. ^{[ 7 ]}

En otros puntos de la aeronave, principalmente en las zonas convexas o curvas, el borde de ataque del ala y, sobre todo, la entrada de aire a los motores, pueden formarse varias ondas de choque más pequeñas. Estas ondas secundarias se producen cuando el aire se ve obligado a girar alrededor de estas zonas convexas, lo que genera una onda de choque en el flujo supersónico .

Las ondas de choque posteriores son algo más rápidas que la primera, viajan a mayor velocidad y se suman a la onda de choque principal a cierta distancia de la aeronave para crear una forma de onda N mucho más definida. Esto maximiza tanto la magnitud como el "tiempo de ascenso" de la onda de choque, lo que hace que el estampido parezca más fuerte. En la mayoría de los diseños de aeronaves, la distancia característica es de aproximadamente 40 000 pies (12 000 m) , lo que significa que por debajo de esta altitud el estampido sónico será "más suave". Sin embargo, la resistencia aerodinámica a esta altitud o por debajo hace que el viaje supersónico sea particularmente ineficiente, lo que plantea un problema grave. 

Las aeronaves supersónicas son aquellas que pueden alcanzar velocidades superiores a Mach 1, que se refiere a la velocidad del sonido. "Supersónico incluye velocidades de hasta cinco veces la velocidad del sonido, o Mach 5". ^{[ 8 ]} La velocidad máxima de una aeronave supersónica normalmente oscila entre 700 y 1500 millas por hora (1100 y 2400 km/h) . ^{[ 9 ]} Por lo general, la mayoría de las aeronaves no superan las 1500 mph (2414 km/h) . ^{[ 10 ]} Existen muchas variantes de aeronaves supersónicas. Algunos modelos utilizan una aerodinámica mejor diseñada que permite ciertas concesiones en la aerodinámica del modelo para obtener mayor potencia de los propulsores. Otros modelos aprovechan la eficiencia y la potencia de los propulsores para que un modelo menos aerodinámico alcance mayores velocidades. ^{[ 11 ]}   

La presión generada por las explosiones sónicas de las aeronaves suele ser de unas pocas libras por pie cuadrado. Un vehículo que vuele a mayor altitud generará presiones más bajas en tierra, ya que la onda de choque disminuye su intensidad a medida que se aleja del vehículo; sin embargo, las explosiones sónicas se ven menos afectadas por la velocidad del vehículo.

A finales de la década de 1950, cuando se desarrollaban activamente los diseños de aviones de transporte supersónico (SST), se creía que, si bien el estampido sería muy intenso, los problemas podrían evitarse volando a mayor altitud. Esta suposición resultó ser falsa cuando el North American XB-70 Valkyrie realizó su primer vuelo, y se descubrió que el estampido representaba un problema incluso a 21 000 metros (70 000 pies  ). Fue durante estas pruebas cuando se caracterizó por primera vez la onda N.

Richard Seebass y su colega Albert George, de la Universidad de Cornell, estudiaron el problema exhaustivamente y finalmente definieron un " índice de mérito " (FM) para caracterizar los niveles de estampido sónico de diferentes aeronaves. El FM es una función del peso y la longitud de la aeronave. Cuanto menor sea este valor, menor será el estampido que genere la aeronave, considerándose aceptables valores de alrededor de 1 o inferiores. Utilizando este cálculo, hallaron valores de FM de aproximadamente 1,4 para el Concorde y de 1,9 para el Boeing 2707. Esto acabó condenando a la mayoría de los proyectos de aviones supersónicos, ya que el resentimiento público, sumado a la política, acabó dando lugar a leyes que redujeron la utilidad de dichas aeronaves (por ejemplo, limitando su vuelo supersónico únicamente al agua). Se prefieren los diseños de aviones pequeños, como los jets ejecutivos , que tienden a producir estampidos audibles mínimos o nulos. ^{[ 7 ]}

Basándose en la investigación anterior de LB Jones, ^{[ 13 ]} Seebass y George identificaron condiciones en las que se podían eliminar las ondas de choque del estampido sónico. Este trabajo fue ampliado por Christine M. Darden ^{[ 14 ] [ 15 ]} y descrito como la teoría de Jones-Seebass-George-Darden de minimización del estampido sónico . ^{[ 7 ]} Esta teoría abordó el problema desde un ángulo diferente, tratando de extender la onda N lateral y temporalmente (longitudinalmente), produciendo un choque fuerte y enfocado hacia abajo ( SR-71 Blackbird , Boeing X-43 ) en un cono de nariz agudo, pero de ángulo amplio, que viajará a una velocidad ligeramente supersónica ( choque de proa ), y utilizando un ala volante en flecha hacia atrás o un ala volante oblicua para suavizar este choque a lo largo de la dirección de vuelo (la cola del choque viaja a velocidad sónica). Para adaptar este principio a los aviones existentes, que generan un choque en su cono de nariz y uno aún más fuerte en el borde de ataque de sus alas, el fuselaje debajo del ala se moldea según la regla del área . Idealmente, esto elevaría la altitud característica de 40 000 pies (12 000 m) a 60 000 pies (de 12 000 m a 18 000 m), que es donde se esperaba que volaran la mayoría de los aviones SST. ^{[ 7 ]}   

Esto permaneció sin probar durante décadas, hasta que DARPA inició el proyecto Plataforma Supersónica Silenciosa y financió el avión Demostración de Estampido Sónico Modificado (SSBD) para probarlo. El SSBD utilizó un F-5 Freedom Fighter . El F-5E fue modificado con una forma altamente refinada que alargó el morro hasta el del modelo F-5F. El carenado se extendía desde el morro hasta las tomas de aire en la parte inferior del avión. El SSBD fue probado durante dos años, culminando en 21 vuelos, y fue un estudio exhaustivo sobre las características del estampido sónico. Después de medir las 1300 grabaciones, algunas tomadas dentro de la onda de choque por un avión de seguimiento , el SSBD demostró una reducción del estampido de aproximadamente un tercio. Aunque un tercio no es una reducción enorme, podría haber reducido el estampido del Concorde a un nivel aceptable por debajo de FM = 1.

Como continuación del SSBD, en 2006 un equipo de la NASA y Gulfstream Aerospace probó el Quiet Spike en el avión F-15B 836 del Centro Dryden de la NASA. El Quiet Spike es un brazo telescópico instalado en la nariz de la aeronave, diseñado específicamente para atenuar la fuerza de las ondas de choque que se forman en la parte delantera del avión a velocidades supersónicas. Se realizaron más de 50 vuelos de prueba. Varios de estos vuelos incluyeron el análisis de las ondas de choque mediante un segundo F-15B, el banco de pruebas del Sistema Inteligente de Control de Vuelo de la NASA , el avión 837.

Algunos diseños teóricos no parecen generar estampidos sónicos, como el biplano Busemann . Sin embargo, la creación de una onda de choque es inevitable si genera sustentación aerodinámica. ^{[ 7 ]}

En 2018, la NASA adjudicó a Lockheed Martin un contrato de 247,5 millones de dólares para construir un diseño conocido como Low Boom Flight Demonstrator, cuyo objetivo es reducir el estampido al sonido de una puerta de coche al cerrarse. ^{[ 16 ]} La aeronave, denominada X-59 QueSST por Lockheed Martin, realizó su primer vuelo el 28 de octubre de 2025, ^{[ 17 ]} y, a fecha de 5 de abril de 2026, había realizado un total de trece vuelos de prueba. ^{[ 18 ]}

Boom Technology , una empresa que desarrolla un avión comercial supersónico llamado Overture , pretende aprovechar un fenómeno conocido como corte de Mach , en el que la onda de choque generada por un avión supersónico no llega al suelo si vuela a bajas velocidades supersónicas. En enero de 2025, el avión experimental XB-1 de Boom rompió la barrera del sonido (convirtiéndose en el primer avión privado de la historia en hacerlo) durante varios vuelos de prueba en los que alcanzó velocidades de hasta Mach 1,12, y en todos los casos no se detectó ningún estampido sónico mediante micrófonos instalados a nivel del suelo bajo la trayectoria de vuelo del XB-1. ^{[ 19 ]}

El sonido de un estampido sónico depende en gran medida de la distancia entre el observador y la forma de la aeronave que lo produce. Un estampido sónico se suele oír como un doble "estruendo" profundo, ya que la aeronave suele estar a cierta distancia. El sonido es muy parecido al de las bombas de mortero , comúnmente utilizadas en espectáculos de fuegos artificiales . Es un error común pensar que solo se genera un estampido durante la transición de subsónico a supersónico ; en realidad, el estampido es continuo a lo largo de la estela del avión durante todo el vuelo supersónico. Como lo expresa un expiloto del Concorde: "En realidad no se oye nada a bordo. Lo único que vemos es la onda de presión moviéndose a lo largo del avión; eso indica los instrumentos. Y eso es lo que vemos alrededor de Mach 1. Pero no oímos el estampido sónico ni nada parecido. Es más bien como la estela de un barco: está detrás de nosotros". ^{[ 20 ]}

En 1964, la NASA y la Administración Federal de Aviación iniciaron las pruebas de estampido sónico de Oklahoma City , que provocaron ocho estampidos sónicos diarios durante seis meses. Se recopilaron datos valiosos del experimento, pero se generaron 15.000 quejas que, en última instancia, involucraron al gobierno en una demanda colectiva , la cual perdió en apelación en 1969.

Las explosiones sónicas también causaban molestias en el norte de Cornualles y el norte de Devon, en el Reino Unido, ya que estas zonas se encontraban bajo la ruta de vuelo transatlántica del Concorde. Las ventanas vibraban y, en algunos casos, el mortero de mampostería (el que se encuentra debajo de las pizarras del tejado) se desprendía con la vibración.

Recientemente se han realizado trabajos en este campo, especialmente en el marco de los estudios de la Plataforma Supersónica Silenciosa de DARPA. La investigación realizada por expertos en acústica dentro de este programa comenzó a analizar con mayor detalle la composición de los estampidos sónicos, incluyendo su contenido de frecuencia. Varias características de la onda "N" tradicional del estampido sónico pueden influir en la intensidad y la molestia que perciben los oyentes en tierra. Incluso las ondas N fuertes, como las generadas por el Concorde o los aviones militares, pueden resultar mucho menos molestas si el tiempo de ascenso de la sobrepresión es suficientemente largo. Ha surgido una nueva métrica, conocida como sonoridad percibida , medida en PLdB. Esta métrica tiene en cuenta el contenido de frecuencia, el tiempo de ascenso, etc. Un ejemplo conocido es el chasquido de los dedos, cuyo sonido "percibido" no es más que una molestia.

El rango energético del estampido sónico se concentra en el rango de frecuencia de 0,1 a 100 hercios , considerablemente inferior al de las aeronaves subsónicas, los disparos y la mayoría del ruido industrial . La duración del estampido sónico es breve: menos de un segundo, 100 milisegundos (0,1 segundos) para la mayoría de las aeronaves de tamaño similar a los cazas y 500 milisegundos para el transbordador espacial o el avión Concorde. La intensidad y la amplitud de la trayectoria del estampido sónico dependen de las características físicas de la aeronave y de su operación. En general, cuanto mayor sea la altitud de la aeronave, menor será la sobrepresión en tierra. Una mayor altitud también aumenta la propagación lateral del estampido, exponiendo un área más amplia al mismo. Sin embargo, las sobrepresiones en el área de impacto del estampido sónico no serán uniformes. La intensidad del estampido es máxima directamente debajo de la trayectoria de vuelo, debilitándose progresivamente a medida que aumenta la distancia horizontal con respecto a la trayectoria de vuelo de la aeronave. El ancho terrestre del área de exposición al estampido es de aproximadamente 1 milla terrestre (1,6 km) por cada 1000 pies (300 m) de altitud (el ancho es aproximadamente cinco veces la altitud); es decir, una aeronave que vuele supersónica a 30 000 pies (9100 m) creará una extensión lateral del estampido de aproximadamente 30 millas (48 km) . Para un vuelo supersónico estable, el estampido se describe como un estampido de alfombra, ya que se mueve con la aeronave mientras mantiene la velocidad y altitud supersónicas. Algunas maniobras, como el picado, la aceleración o el giro, pueden causar que el estampido se concentre. Otras maniobras, como la desaceleración y el ascenso, pueden reducir la intensidad del choque. En algunos casos, las condiciones meteorológicas pueden distorsionar los estampidos sónicos. ^{[ 6 ]}     

Dependiendo de la altitud de la aeronave, las explosiones sónicas llegan al suelo entre 2 y 60 segundos después del sobrevuelo. Sin embargo, no todas las explosiones se oyen a nivel del suelo. La velocidad del sonido a cualquier altitud depende de la temperatura del aire. Una disminución o un aumento de la temperatura produce una disminución o un aumento correspondiente en la velocidad del sonido. En condiciones atmosféricas estándar, la temperatura del aire disminuye con la altitud. Por ejemplo, cuando la temperatura a nivel del mar es de 15 °C (59  °F), la temperatura a 9100 m (30 000 pies ) desciende a -45 °C (-49 °F). Este gradiente de temperatura ayuda a que las ondas sonoras se desvíen hacia arriba. Por lo tanto, para que una explosión llegue al suelo, la velocidad de la aeronave con respecto al suelo debe ser mayor que la velocidad del sonido en el suelo. Por ejemplo, la velocidad del sonido a 30 000 pies (9100 m) es de aproximadamente 670 millas por hora (1080 km/h) , pero una aeronave debe viajar al menos a 750 millas por hora (1210 km/h) (Mach 1,12) para que se oiga un estampido en tierra. ^{[ 6 ]}     

La composición de la atmósfera también influye. Las variaciones de temperatura, la humedad , la contaminación atmosférica y los vientos pueden afectar la percepción de una explosión sónica en tierra. Incluso el propio suelo puede influir en su sonido. Las superficies duras, como el hormigón , el pavimento y los edificios altos, pueden provocar reflexiones que amplifiquen el sonido. Por el contrario, los campos de hierba y la vegetación abundante pueden atenuar la intensidad de la sobrepresión.

Actualmente, no existen estándares aceptados por la industria para determinar la aceptabilidad de un estampido sónico. Sin embargo, se está trabajando en la creación de métricas que ayuden a comprender cómo responden los seres humanos al ruido generado por los estampidos sónicos. ^{[ 21 ]} Hasta que se establezcan dichas métricas, ya sea mediante estudios adicionales o pruebas de sobrevuelo supersónico, es improbable que se promulgue legislación para eliminar la prohibición actual de sobrevuelo supersónico vigente en varios países, incluidos los Estados Unidos.

El chasquido de un látigo es un pequeño estampido sónico. El extremo del látigo, conocido como el "chasqueador", se mueve más rápido que la velocidad del sonido, creando así un estampido sónico. ^{[ 2 ]}

Un látigo se estrecha desde la sección del mango hasta el chasquido. El chasquido tiene mucha menos masa que la sección del mango. Cuando el látigo se balancea bruscamente, el impulso se transfiere a lo largo del látigo cónico, compensándose la disminución de la masa con el aumento de la velocidad. Goriely y McMillen demostraron que la explicación física es compleja e involucra la forma en que un bucle se desplaza a lo largo de un filamento cónico bajo tensión. ^{[ 22 ]}

• radiación Cherenkov
• Hipersónico
• Terremoto supersísmico
• Aleteo de vibración del suelo
• Christine Darden

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