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Il boom sonico: un magnifico gioco di pressioni e velocità

Un boom sonico è un rumore simile a un tuono. Una persona a terra lo sente quando un aereo, o un altro tipo di veicolo aerospaziale, vola più veloce della velocità del suono.

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L’aria reagisce come un fluido agli oggetti supersonici. Mentre questi oggetti viaggiano nell’aria, le molecole vengono spinte da parte con grande forza e questo forma un’onda d’urto, il boom sonico. Lo stesso fenomeno lo vediamo con una barca che crea una scia nell’acqua. Più grande e pesante è l’aereo, più aria sposta.

Boom sonico

La causa del boom sonico

L’onda d’urto forma un “cono” di molecole d’aria pressurizzate o accumulate, che si muovono verso l’esterno e all’indietro in tutte le direzioni e, si estendono fino al suolo. Quando questo cono si diffonde nel paesaggio lungo la traiettoria di volo, crea un boom sonico continuo lungo l’intera larghezza della base del cono. La velocità con cui viene rilasciata la pressione, dopo che è stata accumulata dall’onda d’urto, si presenta come il cosi detto “boom sonico”.

Il cambiamento nella pressione dell’aria associato a un boom sonico è solo di poche grammi per metro quadrato, circa lo stesso cambiamento di pressione sperimentato durante la guida di un ascensore di due o tre piani. È il tasso di cambiamento, l’improvviso cambiamento della pressione, che rende udibile il boom sonico.

F-22 Raptor

Boom “doppi”

Tutti gli aerei generano due coni, al muso e alla coda. Di solito sono di forza simile. L’intervallo di tempo tra i due quando raggiungono il suolo dipende principalmente dalle dimensioni dell’aereo e dalla sua altitudine. Mentre alcune persone a terra possono percepire il suono come un singolo “boom” sonoro, molti boom sonici prodotti dai voli di ricerca della NASA sono facilmente udibili come distinti. Questa tipologia è tipica dello space shuttle.

Esistono diversi fattori che possono influenzare i boom sonici: peso, dimensioni e forma dell’aereo o del veicolo, oltre alla sua altitudine, assetto e traiettoria di volo e condizioni meteorologiche o atmosferiche. Un aereo più grande e più pesante deve spostare più aria e creare più portanza per sostenere il volo, rispetto a un aereo piccolo e leggero. Pertanto, creeranno boom sonici più forti e più rumorosi di quelli di aerei più piccoli e leggeri. Più grande e pesante è l’aereo, più forti saranno le onde d’urto.

Boom sonico
Credit: camdenthrasher

Effetto altitudine e “tappeto” del boom sonico

L’altitudine determina la distanza percorsa dalle onde d’urto prima di raggiungere il suolo e, questo ha un effetto significativo sull’intensità. Man mano che il cono dell’ammortizzatore si allarga e si sposta verso l’esterno e verso il basso, la sua forza si riduce. Generalmente, più alto è l’aereo, maggiore è la distanza che l’onda d’urto deve percorrere, riducendo l’intensità del boom sonico.

La larghezza del “tappeto” dietro l’aereo è di circa 1,5 chilometri per ogni 300 metri di altitudine.
L’intensità massima per i velivoli supersonici tradizionali si trova sotto l’aeromobile. Essa diminuisce all’aumentare della distanza laterale dalla traiettoria di volo, fino a quando non cessa di esistere. La diffusione laterale del boom sonico dipende dall’altitudine, dalla velocità e dall’atmosfera ed è indipendente dalla forma, dalle dimensioni e dal peso del veicolo.

Aereo

Dimensioni, velocità e atmosfera

Come descritto in precedenza, le dimensioni e il peso dell’aereo influenzano i boom sonici. Il rapporto tra la lunghezza dell’aeromobile e l’area della sezione trasversale massima, influenza anche l’intensità del boom sonico. Più lungo e sottile è l’aereo, più deboli sono le onde d’urto. Più il veicolo è grande e smussato, più forte può essere l’onda d’urto.

Nel frattempo, l’aumento della velocità al di sopra di Mach 1,3 comporta solo piccoli cambiamenti nella forza delle onde d’urto. La direzione di marcia e la forza delle onde d’urto sono influenzate dal vento, dalla velocità e dalla direzione, nonché dalla temperatura e dalla pressione dell’aria. A velocità leggermente superiori a Mach 1, il loro effetto può essere significativo, ma la loro influenza è ridotta a velocità superiori a Mach 1.3.

Le distorsioni nella forma delle firme del boom sonico possono anche essere influenzate dalla turbolenza dell’aria locale vicino al suolo. Anche questo provocherà variazioni nei livelli di sovrapressione. Le manovre degli aerei possono causare distorsioni nei modelli delle onde d’urto. Alcune manovre, come pushover, accelerazione e curve ad “S”, possono amplificare l’intensità dell’onda d’urto. Colline, valli e altre caratteristiche del terreno possono creare riflessi multipli delle onde d’urto e possono anche influenzare l’intensità.

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