Originariamente, l’espressione “muro del suono” faceva riferimento alle difficoltà tecniche incontrate dai primi aerei nel raggiungimento della velocità del suono. Oggi sappiamo che il superamento della barriera del suono è possibile, ma che cosa accade esattamente quando un oggetto supera questa soglia? Scopriamolo insieme in questo articolo.
Muro del suono: che cos’è e cosa accade quando viene superato
La velocità del suono: un limite naturale?
Prima di parlare di velocità, proviamo a comprendere che cosa si intende esattamente per suono. Da un punto di vista fisico, il suono è una vibrazione che si propaga attraverso un mezzo materiale sotto forma di onde. Ad esempio, pensiamo alla nostra voce: questa è generata dalla vibrazione delle corde vocali che vengono messe in movimento dall’aria espulsa dai polmoni. Possiamo usare come riferimento anche uno strumento musicale come la chitarra: in questo caso sono le corde in nylon a vibrare e a trasmettere il suono attraverso l’aria.
In tutti i possibili esempi, affinché il suono giunga effettivamente alle nostre orecchie e possa quindi essere percepito, è necessario che si propaghi all’interno di un mezzo. Infatti, a differenza della luce, il suono non può viaggiare nel vuoto in quanto ha necessariamente bisogno di un mezzo fisico per poter essere trasmesso.
Questa non è l’unica differenza tra la luce e il suono. Pensiamo, ad esempio, ai tuoni: quando un fulmine si scarica, vediamo prima il lampo e soltanto dopo un certo lasso di tempo udiamo il tuono. Questo accade perché, a differenza della luce, che viaggia a velocità molto elevate, il suono viaggia più lentamente, impiegando molto più tempo a raggiungere le nostre orecchie.
Non solo: la velocità del suono non è costante, ma varia a seconda delle caratteristiche del mezzo che viene attraversato. Ad esempio, a livello del mare e con una temperatura di circa 15°C, la velocità del suono nell’aria è di circa 1.225 km/h (340 m/s). Invece, in altri materiali, come l’acqua o il metallo, che sono meno comprimibili dell’aria, la velocità del suono è significativamente maggiore perché, in questi casi, le vibrazioni riescono ad essere trasmesse più rapidamente attraverso il mezzo.
La compressione dell’aria e la formazione delle onde sonore
Per comprendere esattamente come si generano le onde sonore, possiamo considerare il funzionamento della membrana di un autoparlante. Quando la membrana si sposta in avanti, comprime lo strato d’aria davanti a sé, provocando un leggero aumento della pressione dell’aria all’interno di questa regione. Tale zona, che è detta compressione, si allontana dall’autoparlante proprio alla velocità del suono.
Successivamente, dopo aver generato la compressione, la membrana dell’autoparlante torna indietro, creando una regione detta rarefazione, in cui la pressione dell’aria è inferiore rispetto alla norma. Anche la rarefazione, così come la compressione, si propaga alla velocità del suono, generando un’alternanza di zone ad alta e bassa pressione.
È proprio la successione di queste compressioni e rarefazioni che dà origine a ciò che comunemente indichiamo come onda sonora: quando questa raggiunge l’orecchio, fa vibrare il timpano alla stessa frequenza della membrana sorgente e il cervello interpreta tale moto vibratorio come un suono.
L’effetto Doppler: cosa accade quando la sorgente sonora è in movimento?
Finora abbiamo considerato soltanto casi in cui la sorgente del suono è ferma, ma le cose si complicano quando questa è in movimento. Vi è mai capitato di notare come il suono di una sirena cambia quando si avvicina a noi? Si tratta del celebre effetto Doppler, un fenomeno fisico grazie al quale il movimento della sorgente modifica la frequenza del suono percepita dal ricevitore. Ma com’è possibile?
Quando la sorgente è ferma, le compressioni e le rarefazioni, di cui abbiamo parlato prima, sono simmetriche rispetto ad essa. Ad esempio, immaginiamo un’ambulanza ferma con la sirena attiva: due osservatori che si trovano in punti opposti rispetto ad essa riceveranno lo stesso numero di vibrazioni al secondo.
Adesso, invece, ipotizziamo che l’ambulanza sia in movimento. In questo caso, le compressioni davanti all’ambulanza risulteranno più vicine tra loro. Questo accade perché, prima di emettere un’altra compressione, il mezzo di trasporto guadagna terreno rispetto alla compressione precedente, dal momento che è in movimento. Poiché le compressioni davanti all’ambulanza sono più vicine tra loro, l’osservatore che si trova nella stessa direzione in cui l’ambulanza sta viaggiando riceve un numero di compressioni al secondo maggiore di quelle ricevute quando l’ambulanza era ferma. Questo significa che il suono percepito avrà una frequenza maggiore, cioè sarà più acuto.
Il boom sonico: cosa succede quando si supera il muro del suono?
Abbiamo osservato come, quando una sorgente sonora si muove, le onde sonore che si propagano nella direzione del movimento hanno una frequenza maggiore. Ma cosa succede quando la velocità della sorgente supera quella del suono?
In questi casi, è utile parlare del numero di Mach, che rappresenta il rapporto tra la velocità di un oggetto e la velocità del suono nelle stesse condizioni. Se il numero di Mach è inferiore a 1, siamo in presenza di regimi sub-sonici, all’interno dei quali la sorgente si muove più lentamente del suono. Al contrario, quando il numero di Mach supera 1, si entra nei regimi super-sonici, all’interno dei quali la sorgente si muove ad una velocità superiore rispetto a quella del suono.
Quando un aereo supera la velocità del suono, genera un suono molto simile a un’esplosione, comunemente noto come boom sonico. Questo scoppio è causato dalle onde d’urto che l’aereo crea nel punto in cui si trova l’osservatore. Infatti, quando un aereo vola alla stessa velocità o più velocemente del suono, i fronti di compressione non riescono a precedere la sorgente, ma viaggiano in contemporanea con essa e, accumulandosi, formano un’onda d’urto che viene percepita come un forte scoppio.
Oltre al boato, quando un aereo supera la velocità del suono, è frequente osservare una nuvola bianca che si estende dietro di esso. Questo accade perché, subito dopo la zona di compressione, si crea una zona di espansione, all’interno della quale, grazie alle basse temperature, l’umidità presente si trasforma rapidamente in piccolissime gocce d’acqua liquida: si tratta, sostanzialmente, di nuvole di condensazione.
Come gli aerei riescono a superare il muro del suono
Contrariamente a ciò che si credeva fino agli anni ’40, superare la “barriera del suono” è possibile. Tuttavia, nel compiere tale impresa, gli aerei incontrano diverse difficoltà, come un forte aumento della resistenza aerodinamica, turbolenze e onde d’urto che possono causare instabilità.
Per affrontarle, i caccia e i velivoli supersonici moderni utilizzano fusoliere affusolate, ali a freccia o a geometria variabile, materiali resistenti alle alte temperature e potenti motori a reazione con postbruciatori, che forniscono la spinta necessaria per oltrepassare il muro del suono in piena sicurezza.
Applicazioni e conseguenze del volo supersonico
Il volo supersonico ha trovato ampie applicazioni in ambito militare, con caccia in grado di superare rapidamente il suono per missioni strategiche, e in campo civile, con aerei come il Concorde.
Quest’ultimo, entrato ufficialmente in servizio nel gennaio 1976, permetteva di coprire la tratta Europa-New York in soli tre ore. Tuttavia, i costi e i consumi insostenibili del velivolo futuristico hanno portato ben presto all’abbandono del servizio passeggeri, che cessò nel 2003. Per questo, la ricerca attuale punta a sviluppare tecnologie per ridurre il rumore e soprattutto migliorare l’efficienza dei velivoli supersonici.
Sapevate che…
Quando è stato effettuato il primo volo supersonico della storia?
Il primo volo supersonico della storia è stato effettuato il 14 ottobre 1947 dal pilota Chuck Yeager a bordo del Bell X-1. Superando Mach 1, Yeager ha dimostrato che il muro del suono può essere infranto in sicurezza.
Perchè molti paesi vietano i voli supersonici sopra le zone abitate?
Gli aerei supersonici generano onde d’urto che, oltre al boom sonico, possono causare vibrazioni negli edifici. Per questo, molti paesi vietano i voli supersonici sopra le zone abitate.
a cura di Giada Cacciapaglia