¿Por qué se rompe la barrera del sonido?

El aire transmite las perturbaciones de presión a la velocidad del sonido, unos 340 m/s (1.225 km/h, 661 kt) a nivel del mar, y más cerca de 295 m/s (1.062 km/h) en el aire frío de la altitud de crucero de un reactor comercial. Un avión que se mueve más lento que eso envía un aviso por delante de sí mismo: su campo de presión alcanza el aire que tiene enfrente y el flujo se separa con suavidad. A medida que el avión se acerca a Mach 1, el aviso llega con cada vez menos antelación, y a Mach 1 no llega en absoluto. El aire es golpeado sin previo aviso y su presión, densidad y temperatura cambian casi instantáneamente a través de una superficie fina: una onda de choque.

Mucho antes de que el avión en su conjunto alcance Mach 1, el aire que se acelera sobre la parte curva superior del ala se vuelve supersónico localmente, de modo que aparecen pequeños choques en el ala a velocidades de vuelo de unos Mach 0,8. La franja entre aproximadamente Mach 0,8 y 1,2 es el régimen transónico, y ahí es donde está el problema.

En el régimen transónico la resistencia aumenta de forma pronunciada, a veces varias veces, porque los choques consumen energía y engrosan la capa límite que queda detrás. Peor aún, los choques se desplazan por el ala a medida que cambia la velocidad, desplazando el centro de sustentación hacia atrás y privando a la cola de un flujo de aire limpio. Los pilotos de cazas de pistón de finales de la guerra que se lanzaban en picado a gran velocidad sufrían un fuerte cabeceo hacia abajo, mandos que parecían congelados y violentas sacudidas; algunos aviones se desintegraron. Para los ingenieros de los años 1940 el aumento de resistencia parecía un muro en la gráfica, y la prensa lo llamó la barrera del sonido.

La solución no fue solo la fuerza bruta, sino la geometría: alas finas, flecha para reducir el número de Mach efectivo que veía el ala, un estabilizador horizontal totalmente móvil para mantener el control de cabeceo, y más tarde la regla del área, que suaviza el cambio de sección transversal a lo largo del fuselaje. El 14 de octubre de 1947, Chuck Yeager llevó el Bell X-1, propulsado por cohete y con forma de bala del calibre .50 con alas rectas y finas, a Mach 1,06 a unos 13.000 m (43.000 pies). La barrera quedó atravesada, y el otro lado resultó más tranquilo: una vez completamente supersónico, el flujo se estabiliza, y la resistencia, aunque alta, deja de aumentar con tanta brusquedad.

Las ondas de choque no desaparecen cuando un avión supera Mach 1; lo siguen como un cono cuyo ángulo depende del número de Mach. Donde el cono toca el suelo, la gente oye un estampido sónico, típicamente un doble estallido del choque de morro y del choque de cola que llegan con una fracción de segundo de diferencia. Por eso suele decirse que la barrera se «rompe» en lugar de «cruzarse»: el fenómeno audible es una liberación real y súbita de energía, y acompaña al avión durante todo el tiempo que se mantenga supersónico.