"comprehendere scire est"

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Consejo Nacional para el Entendimiento Público de la Ciencia.

¿Sábes qué es el número de mach?


Eduardo Cejudo Espinosa + Instituto De Ecología A. C.

Cuando un objeto se desplaza, las moléculas de aire que hay alrededor suyo son perturbadas por efecto del objeto que se mueve, pues no estamos en el vacío., y el grado de disturbio depende de la velocidad con al que se desplace el objeto. Cuando la velocidad no es superior a los 320 km/hora, la densidad del aire (que es un fluido) permanece constante; pero a velocidades más altas, localmente cambia la densidad del aire. Este efecto de compresión por cambio en la densidad del aire, altera la fuerza ejercida sobre el objeto. Este efecto llega a ser más importante mientras que la velocidad aumente. Cerca de la velocidad del sonido (aproximadamente 330 m/s o 700 mph), los disturbios pequeños entre el flujo y el objeto se transmiten a otros lugares que, en compensación, hacen que el evento tenga una entropía constante. Pero en un disturbio precipitado y de gran magnitud, se genera una onda expansiva que afecta la elevación y la fricción de un objeto con el aire. La razón entre la velocidad del objeto y la velocidad del sonido en ese medio (es decir el cociente resultado de dividir velocidad del objeto / velocidad del sonido) determina la magnitud de muchos efectos de la compresibilidad. Debido a la importancia de este cociente de la velocidad, los especialistas de la aerodinámica lo señalan como parámetro especial llamado el número de Mach en honor a Ernst Mach, físico de fines del siglo XIX que estudió dinámica de gases. El número de Mach no tiene dimensiones (es decir es solo un valor de referencia), y permite definir los regímenes de vuelo en los cuales los efectos de la compresibilidad del aire varían.
 
Las condiciones subsónicas ocurren para los números de Mach menores que uno; y para las condiciones subsónicas más bajas, la compresibilidad puede ser trivial. A medida que la velocidad del objeto se aproxima a la velocidad del sonido, el número de Mach es casi igual a uno y el flujo se dice es transónico. A la velocidad del vuelo igual a la velocidad del sonido las condiciones serían exactamente sónicas. Antes que fuera posible, el vuelo superior a la velocidad sonido fue supuesto imposible, y la barrera del sonido era considerada solamente un aumento en la fricción cerca de condiciones transónicas debido a efectos de la compresibilidad. Ahora se sabe que las condiciones supersónicas ocurren para los números de Mach mayor que uno y menor a tres (un avión Mach 3.0 vuela en tres veces la velocidad del sonido local.) Los efectos de la compresibilidad son importantes para el avión supersónico, y las ondas expansivas son generadas en la superficie del objeto. Para las velocidades mucho mayores que la velocidad del sonido (típicamente mayor que el mach 5.0) el flujo se dice ser hipersónico. A estas velocidades, algo de la energía del objeto excita los enlaces químicos entre las moléculas del nitrógeno y del oxígeno del aire, por lo que la química del aire debe ser considerada para determinar las fuerzas que se ejercen sobre el objeto.
 
La velocidad del sonido en aire y por consecuencia el número de Mach dependen de la composición química de la atmósfera (compuesta en la Tierra de Nitrógeno y Oxígeno diatómico, N2 y O2), y la temperatura, ambas dependientes de la altitud a la que vuelan los aviones. Estas condiciones son importantes para el diseño de aviones comerciales y de fines específicos, como guerra e investigación espacial.

Fuentes.
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