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...En el divergente de una tobera sónica (por ejemplo, bidimensional), el gas se acelera:
..Arriba, las ondas de Mach en el divergente de un cohete. Estas ondas parecen reflejarse en la pared. Esto está relacionado con una condición de compatibilidad referente al flujo en la pared: la bisectriz interior de las dos ondas de Mach, o características, representa la dirección del flujo, que debe ser tangente a la pared.
...La velocidad del sonido se alcanza en el cuello. A monte, el gas tiene velocidad subsónica. Se acelera en el divergente y la presión disminuye. El cohete funcionará con un rendimiento tanto mejor cuanto mayor sea la velocidad de expulsión. Pero hay un contrapunto: también es necesario que los gases se expulsen a una presión igual a la presión ambiente, a la altitud donde funcionan estos cohetes. Esto se llama "adaptación de la tobera". Si el divergente es demasiado pronunciado, el gas se expulsará a una presión inferior a la presión ambiente (atmosférica) y aparecerán ondas de choque de recompresión. Las ondas de Mach también se llaman "características" del flujo. En un motor de cohete, de simetría de revolución, estas ondas de Mach son cónicas. Esto significa que en cualquier punto de la tobera, si hubiera un obstáculo fijo del tamaño de un grano de arena, generaría una onda de Mach de forma cónica.
..El vector de velocidad correspondería entonces al medio ángulo del vértice del cono. Cuanto mayor fuera el número de Mach y más puntiagudo sería el cono de Mach.
...Los motores de reacción de los aviones están equipados con toberas de sección variable, cuyo divergente se abre a medida que aumenta la altitud y disminuye la presión ambiente.
..Los divergentes de las toberas de los motores de reacción están equipados con "pétalos" que se abren mediante cilindros hidráulicos a medida que la presión disminuye, esto siendo directamente controlado por una medición barométrica. Dado que la velocidad de expulsión es mayor, estos motores tienen un mejor rendimiento a altas altitudes.
...Pero volvamos a nuestro canal. ¿Qué ocurre cuando la curva se presenta así:
...A la izquierda, el convergente no es demasiado pronunciado. Las características (ondas de Mach) tienden a acercarse, pero no se cruzan (a menos fuera del propio flujo). Hay una disminución del "número de Mach local", de la velocidad y un aumento de la altura del agua (equivalente de la presión en un gas).
...A la derecha, la curva es demasiado pronunciada. Las ondas de Mach tienden a cruzarse. Aparece un "salto" líquido, análogo a una onda de choque en un gas. El flujo experimenta una discontinuidad. A la salida de la onda de choque, la velocidad disminuye bruscamente, al atravesar el salto-onda.
..La proa de un barco también es un "convergente". Si el barco se mueve a una velocidad baja, inferior a la velocidad de propagación de las ondas superficiales (por lo tanto, en "subsonico"), las ondas de Mach no existen. Correlativamente, el nivel del agua permanece constante.
...A mayor velocidad (V > a) se puede, mediante un ordenador, calcular en un flujo bidimensional la geometría de las ondas de Mach teóricas. Se observa que se cruzan, tienden a enfocarse:
...En el dibujo de arriba, se han calculado las ondas de Mach teóricas en un flujo gaseoso, resolviendo las ecuaciones de la mecánica de fluidos (Navier-Stokes) alrededor de un perfil alar lenticular sumergido en un flujo gaseoso supersónico, mediante un ordenador (1979). Se observa que las ondas de Mach tienden a enfocarse. Solo se ha representado una familia de ondas. Estos lugares de enfoque son "lugares de nacimiento" de las ondas de choque. En efecto, estas ondas de Mach son ondulaciones de compresión. Por lo tanto, el flujo anterior no es físicamente realista. Se notará la presencia de dos abanicos de expansión en los lados del perfil. Por lo tanto, aparecerán dos sistemas de ondas de choque:
..A la salida de las ondas de choque, el gas está "chocado", recomprimido y su velocidad disminuye. Este fenómeno ocurre en un espesor muy pequeño: unos centésimos de milímetro.
..A la salida de la onda de choque frontal, después de haberse desacelerado bruscamente, el gas se vuelve a acelerar continuamente, según un "abanico de expansión". Incluso se "sobreactúa", hasta el punto de que una segunda onda de choque, llamada onda de choque de cola, debe establecerse en el borde de salida del perfil para restablecer, a la salida, la presión ambiente, según el principio mencionado en mi cómic "El Muro del Silencio" (ver el "CD-Lanturlu"):
Se pide dejar el gas en el estado en que se encontraba al entrar.
..El vector de velocidad también sufre una discontinuidad en dirección, si el borde de ataque es un diedro:
(fenómeno análogo al borde de salida, si este también tiene forma de diedro).
...Veamos qué da esto en analogía hidráulica.
...Se puede ver que la sobreactuación del agua en los costados del barco hace aparecer la parte de la quilla que está en reposo por debajo de la línea de flotación.
...Estos sistemas de ondas (en flujo gaseoso o en estos flujos líquidos con superficie libre) modifican la distribución de presión alrededor del perfil o de la quilla. Esto da lugar a una resistencia de onda que se suma a la resistencia de fricción. Cuando hay un vuelo supersónico (como por ejemplo, durante un vuelo del Concorde), la resistencia de onda se vuelve tan importante que supera ampliamente a la resistencia de fricción. Por lo tanto, el vuelo supersónico consume mucha energía y los aviones deben estar equipados con motores potentes. Asimismo, estos vuelos supersónicos solo pueden realizarse a gran altitud, de lo contrario la resistencia de onda sería prohibitiva. Un avión de reacción no puede superar Mach 1,2 cerca del suelo.
¿Adónde va esa energía? Se disipa de dos maneras. Los vehículos supersónicos crean un "estallido" muy intenso, que distribuye esta energía muy lejos de ellos, del mismo modo que la onda de choque creada por una explosión disipa esta energía a gran distancia. La onda de choque también causa calentamiento del aire, pero la disipación en forma de sonido es la principal.
..Hemos presentado aquí un sistema "de ondas adheridas". Si la parte delantera del vehículo está redondeada (nariz o bordes de ataque de las alas y estabilizadores, en el caso de la nave espacial), la onda de choque se establece a cierta distancia del objeto. La velocidad es nula en el "punto de detención" del flujo, por lo que este se vuelve subsónico a la salida de la onda, y luego se vuelve a acelerar.
..La recompresión del gas a la salida de una onda de choque va acompañada de un calentamiento. La temperatura en el "punto de detención" aumenta muy rápidamente con el número de Mach (como su cuadrado). Por lo tanto, los aviones supersónicos sufren fuertes cargas térmicas en sus partes delanteras (nariz, bordes de ataque). Aunque esto conlleva un aumento de la resistencia, las narices o bordes de ataque deben estar redondeados a números de Mach muy altos (régimen hipersónico) para distribuir el flujo de calor. Recordar la nariz muy redondeada de un vehículo experimental como el X-15.
..En el caso de cuerpos de entrada, no es problemático ya que se busca precisamente el frenado. Las cápsulas de entrada rusas son simplemente esféricas. Las cápsulas americanas presentan un importante "escudo térmico", o bien se produce una ablation parcial del material (no están diseñadas para durar más de unos minutos y deben reemplazarse después de cada entrada, si la cápsula es reutilizable).
...Nos planteamos en 1975 el problema de una posible evolución supersónica, e incluso hip...