¿Cómo cambia la velocidad del sonido con la altitud?

En un gas perfecto, la velocidad del sonido depende de la raíz cuadrada de la temperatura absoluta multiplicada por una constante que incluye la composición del gas. La presión y la densidad se cancelan en la ecuación, algo que sorprende a muchos: el aire enrarecido de la altitud transmite el sonido igual de rápido que el aire denso a la misma temperatura. Así que la pregunta de cómo cambia la velocidad del sonido con la altitud es en realidad la pregunta de cómo cambia la temperatura con la altitud, y eso lo describe la Atmósfera Estándar Internacional que usan la OACI y todos los fabricantes de aviones.

En la atmósfera estándar, la temperatura al nivel del mar es de 15 °C y desciende 6,5 °C por kilómetro a través de la troposfera. La velocidad del sonido baja con ella: 340,3 m/s (661 kt) al nivel del mar, unos 328 m/s a 3.000 m, 316 m/s a 6.000 m y 295,1 m/s (574 kt) en la tropopausa, fijada en 11.000 m (36.089 ft). Por encima de ahí, en la baja estratosfera, la temperatura estándar se mantiene fija en −56,5 °C hasta los 20 km, así que la velocidad del sonido permanece constante en 295 m/s. Más arriba, la absorción del ozono calienta la estratosfera y la velocidad del sonido vuelve a subir, hasta unos 330 m/s cerca de los 47 km, antes de volver a bajar en la mesosfera. La atmósfera real se aparta de estas cifras según el día, la estación y la latitud, y el aire frío del invierno siberiano o el aire caliente del Golfo Arábigo desplaza los valores varios puntos porcentuales.

El número de Mach es la velocidad verdadera dividida entre la velocidad local del sonido, así que la misma velocidad verdadera corresponde a un número de Mach mayor a gran altitud. Un avión de línea que crucea a Mach 0,82 a 11.000 m lleva una velocidad verdadera de unos 242 m/s (470 kt); al nivel del mar, el mismo número de Mach serían 279 m/s (542 kt). Por eso los perfiles de ascenso se vuelan a velocidad indicada constante hasta una altitud de cruce y después a Mach constante: el número de Mach crítico del ala, más allá del cual aparecen ondas de choque y aumenta la resistencia, se alcanza a una velocidad verdadera menor cuanto más sube el avión. El mismo efecto estrecha el margen entre la pérdida a baja velocidad y el bataneo a alta velocidad en altitudes muy elevadas, la región que los pilotos llaman «el rincón del ataúd».

Los cohetes atraviesan todas estas capas en minutos. El punto de máxima presión aerodinámica, max-Q, se produce a baja altitud, hacia Mach 1 a 1,5, y los lanzadores reducen el empuje para limitar las cargas en ese punto; más arriba, la caída de densidad pesa mucho más que los pequeños cambios en la velocidad del sonido.