La supersónica, una rama significativa de la aerodinámica, se encarga de los fenómenos que tienen lugar en el momento en que la velocidad de un sólido supera la velocidad del sonido en el medio —en términos generales aire— en que se desplaza. La velocidad del sonido en la atmósfera se diferencia conforme la humedad, la temperatura y la presión. Como la velocidad del sonido es un componente crucial en las ecuaciones aerodinámicas y no es perseverante, suele emplearse el número de Mach, así denominado en tributo del físico y filósofo austriaco Ernst Mach, un precursor en el estudio de la balística. El número de Mach es la velocidad en relación a la atmósfera del proyectil o el avión dividida entre la velocidad del sonido en el mismo medio y con las mismas circunstancias. De este modo, al nivel del mar, en circunstancias normales de humedad y temperatura, una velocidad de 1.220 km/h simboliza un número de Mach de 1. En la estratosfera, por causa de las distinciones de densidad, presión y temperatura, esta misma velocidad correspondería a un número de Mach de 1,16. Expresando las velocidades por su número de Mach, en lugar de en kilómetros por hora, puede obtenerse una representación más exacta de las circunstancias que se dan en realidad a lo largo del vuelo.
3.1 Ondas de choque
Los estudios a través de observaciones ópticas de proyectiles de artillería revelan la naturaleza de las perturbaciones atmosféricas encontradas a lo largo del vuelo. A velocidades subsónicas, por debajo de Mach 0,85 , la única perturbación atmosférica es una turbulencia en la estela del proyectil. En la zona transónica, entre Mach 0,85 y Mach 1,3, aparecen ondas de choque a medida que aumenta la velocidad; en el rango más bajo de esa zona de velocidades, las ondas de choque nacen de cualquier protuberancia abrupta en el contorno suave del proyectil. Cuando la velocidad supera Mach 1, las ondas de choque nacen de la parte delantera y la cola y se propagan en forma de cono desde el proyectil. El ángulo del cono es tanto menor cuanto mayor es la velocidad del proyectil. De este modo, a Mach 1, la onda es básicamente un plano; a Mach 1,4 (1.712 km/h al nivel del mar), el ángulo del cono es de en torno a 90°; a Mach 2,48 (unos 3.030 km/h), la onda de choque proveniente del proyectil tiene un ángulo cónico ligeramente menor de 50°. La pesquisa en este campo ha soportado el diseño de los modernos aviones de gran velocidad, en los que las alas se inclinan hacia atrás configurando ángulos de hasta 60° para soslayar la onda de choque proveniente de la parte delantera del avión.
3.2 Maximización de la eficiencia
Entre otras circunstancias estudiadas por la pesquisa sobre proyectiles de artillería supersónicos figuran la forma ideal de los proyectiles y el conducta de un gas que fluye a altas velocidades. La denominada forma de gota, que es la forma aerodinámica ideal para velocidades subsónicas, es muy poco eficaz en la zona supersónica por causa de su gran superficie frontal, que comprime el aire y da lugar a ondas de choque de gran amplitud que absorben mucha energía.
Cuando un gas fluye por un tubo estrechado, como la tobera de un cohete, a velocidades subsónicas, la velocidad de flujo aumenta y la presión disminuye en el cuello del estrechamiento. A velocidades supersónicas se genera el fenómeno inverso, y la velocidad de flujo aumenta en un tubo divergente. De este modo, los gases de escape de un cohete, al acelerarse en la tobera hasta la velocidad del sonido, aumentan aún más su velocidad, y por consiguiente su empuje, en el ensanchamiento divergente de la tobera, con lo que se multiplica la eficiencia del cohete. Otro componente que los diseñadores de cohetes conocen desde hace tiempo es la influencia directa de la presión atmosférica reinante sobre la eficiencia del vuelo a velocidades supersónicas. Cuanto más próximo esté el medio periférico a un vacío perfecto, más eficiente es el motor del avión o el cohete. El rango de velocidades de un avión supersónico igualmente puede incrementarse reduciendo la superficie, o sección transversal, que presenta al aire. En los aviones que operan a velocidades supersónicas es importante incrementar el peso del aparato aumentando su longitud, hacerlo más esbelto y proveerlo de un frente en forma de aguja. En los años siguientes a la Segunda Guerra Mundial, los centros de pesquisa en aerodinámica cimentaron túneles de viento donde se podían probar maquetas o piezas de aviones en corrientes de aire supersónicas.
3.3 Regla de las superficies
Un significativo avance en la aeronáutica, gracias a las indagaciones en túneles de viento, se debió al físico americano Richard Travis Whitcomb, que demostró la norma de las superficies para el diseño de aviones supersónicos. Según este principio, el incremento abrupto en la resistencia al avance que se genera a velocidades transónicas se debe a la distribución de la superficie total de la sección transversal en cada punto del avión. Estrechando el fuselaje en la zona donde está unido a las alas, la reducción en la sección transversal total del fuselaje y las alas disminuye la resistencia al avance del aparato. El diseño de Whitcomb, denominado de talle de avispa, hizo posible un incremento del 25% en el rango de velocidades supersónicas sin necesidad de una mayor potencia en los motores.
En el pasado se utilizaba el término supersónica en un sentido más amplio, e incluía la rama de la física ya conocida como ultrasónica, que se encarga de las ondas de sonido de alta frecuencia, en términos generales por encima de los 20.000 hercios (Hz).
Véase igualmente Propulsión a chorro.
— 94 visualizaciones.