Velocidad Mach
El número de Mach es la relación entre la velocidad de un objeto y la velocidad del sonido en el medio que lo rodea, y se usa sobre todo en aeronáutica para expresar velocidades supersónicas. Para entenderlo primero conviene repasar el concepto de velocidad: es la distancia recorrida por un cuerpo en movimiento (punto material) durante un periodo de tiempo determinado.
La distancia está representada por unidades del sistema y fuera del sistema (metros, millas, pulgadas, ángulos, etc.), mientras que el tiempo se determina en segundos u horas. Por lo tanto, la velocidad se puede expresar en una variedad de cantidades, como metros por segundo (m/seg), kilómetros por hora (km/h), radianes por segundo (1/seg), etc.
Aunque los símbolos de velocidad anteriores se pueden convertir fácilmente entre sí, hay una serie de áreas en las que es conveniente (o históricamente aceptado) medir la velocidad en unidades específicas.
Por ejemplo, los marineros prefieren el «nudo» (millas náuticas por hora). En astronomía se utiliza la velocidad radial (radial), en astronáutica, velocidades cósmicas (hay tres).
En la aviación, donde tenemos que lidiar con velocidades supersónicas, el punto de referencia, por regla general, es la velocidad de propagación de las ondas sonoras en un medio gaseoso (más simple, la velocidad del sonido en el aire).
Esto llevó al surgimiento de una unidad de medida como el número de Mach (en honor al físico austríaco Ernst Mach, pionero en el estudio experimental de las ondas de choque y las velocidades supersónicas). A continuación explicamos por qué es necesario.
Características de la velocidad del sonido
Una característica distintiva de la velocidad del sonido es que varía según la naturaleza del entorno.
En particular, en el hierro fundido la velocidad del sonido es de aproximadamente 5000 m/s, en agua dulce – 1450 m/s, en el aire – 331 m/s (1200 km/h). La definición de “aproximadamente” no fue elegida por casualidad, ya que otros factores también influyen en la velocidad de las vibraciones del sonido.
Para el entorno aéreo que nos interesa, los factores que influyen en la velocidad del sonido son:
- temperatura (T);
- presión (P);
- densidad (p);
- humedad (f).
Los indicadores enumerados están estrechamente relacionados (por ejemplo, la densidad es función de la temperatura, la presión y la humedad), así como de la altitud. También afectan la velocidad del sonido.
Esta relación se muestra claramente en la siguiente tabla (según datos de la OACI).
| Altura, metros | 0 | 500 | 1000 | 5000 | 10000 | 20000 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Presión, kPa | 101.3 | 95,5 | 89,9 | 54.0 | 26.4 | 5.5 |
| Densidad, kg/m 3 | 1.22 | 1.17 | 1.11 | 0,74 | 0,41 | 0,09 |
| Temperatura, °C | 15 | 12 | 8 | -18 | -50 | -56 |
| Velocidad del sonido, m/s | 340.3 | 338,4 | 336,4 | 320,5 | 299,5 | 295.0 |
Lo principal aquí es que la velocidad del sonido varía significativamente según la altitud.
¿Cuánto es Mach 1 en kilómetros por hora?
La inconstancia de la velocidad del sonido (a diferencia de la velocidad de la luz) fue una de las razones por las que en aerodinámica se empezó a utilizar un parámetro llamado “Mach”.
Mach caracteriza el movimiento de un avión en el flujo de aire, es decir, muestra la relación entre la velocidad del sonido en el aire que rodea al avión y la velocidad del propio avión. Es decir, es una unidad adimensional.
Mach 1 en el panel de instrumentos de la cabina significa que el avión se mueve a la velocidad del sonido a una altitud específica.
Si el avión excede dos veces la velocidad del sonido a esta altitud, se mostrará Mach 2 (2 Mach) en el panel de instrumentos.
En la literatura también se encuentra un enfoque simplificado, donde el número de Mach se convierte en velocidad lineal (kilómetros por hora o por segundo). Como unidad de referencia, se toma 1 Mach igual a 1.192 km/h o 331 m/s, lo que equivale a la velocidad del sonido a presión atmosférica normal (101,3 kPa) y 0 °C de temperatura, con humedad nula, en la superficie terrestre.
Pero, como se señaló anteriormente, las condiciones atmosféricas cambian con la altitud, por lo que este enfoque no se considera correcto y no se utiliza en cálculos matemáticos de aerodinámica.
Cuando en lo alto del cielo vemos un avión a reacción dejando tras de sí una columna de gas blanca, y en algún momento escuchamos un característico pop, esto significa que el avión ha superado la barrera del sonido, es decir, ha superado el valor de Mach 1.
En la literatura de referencia se indica que la velocidad máxima del caza MiG-29 es Mach 2,3 o 2450 km/h. Resulta que en este caso Mach 1 = 1065 km/h (295,8 m/seg). Comparando este valor con los datos tabulares (ver arriba), veremos que corresponde a una altitud de unos 18.000 m, que de hecho es el techo práctico del MiG-29.
Resumamos. Respondiendo a la pregunta “cuál es la velocidad de Mach 1 en kilómetros por hora”, debemos aclarar de qué altitud de vuelo estamos hablando. Mira la tabla de arriba y toma el valor de la velocidad del sonido más cercano a la altura deseada; multiplícalo por uno (1 Mach) o por 27, como en el caso de la velocidad del Avangard.
Mach 27: ¿es un sueño o una realidad?
- Las velocidades entre Mach 1 y Mach 5 se consideran supersónicas.
- Más de 5 Mach se consideran hipersónicas.
- Mach 23 ya equivale a la primera velocidad cósmica.
Pero de la velocidad de 27 Mach se empezó a hablar a finales de 2018, cuando el misil de combate hipersónico Avangard superó este hito durante las pruebas de lanzamiento, lo que lo hizo inaccesible a los sistemas de defensa aérea enemigos.
Si adoptamos el enfoque simplificado discutido anteriormente, entonces Mach 27 es de aproximadamente 9.000 m/s o 32.400 km/h. Pero esto está cerca de la superficie de la Tierra. A una altitud de 10 km ya será de unos 8.000 m/s (27 x 299,5) o 28.800 km/h. En cualquier caso, es difícil imaginar que un cuerpo material pueda volar a tal velocidad.
