Perché esiste la barriera del suono?

L'espressione entrò nel linguaggio comune negli anni '30 e '40, quando gli aerei volarono per la prima volta abbastanza velocemente da avere problemi avvicinandosi alla velocità del suono, e i giornalisti trasformarono il termine ingegneristico di barriera di comprimibilità in qualcosa che sembrava un muro. Non esiste alcun muro. Ciò che esiste è una fascia, approssimativamente da Mach 0,8 a Mach 1,2, in cui il comportamento dell'aria cambia radicalmente, e gli aerei progettati per velocità inferiori si comportavano male al suo interno. I caccia da picchiata della Seconda guerra mondiale come il P-38 Lightning la incontrarono per primi: sferzamenti violenti, comandi che si irrigidivano e un muso che si abbassava e non poteva più essere riportato in alto.

L'aria che scorre su un'ala curva viene accelerata, cosicché il flusso locale raggiunge Mach 1 mentre l'aereo stesso è ancora ben al di sotto. Dove il flusso viene decelerato di nuovo a velocità subsonica, ciò accade attraverso un'onda d'urto, una superficie sottile lungo la quale la pressione sale bruscamente. Dietro l'urto, lo strato limite si separa, la portanza si perde su quella parte dell'ala, e la resistenza aumenta di più volte, in quello che gli ingegneri chiamano l'aumento di resistenza transonico. In uno stabilizzatore orizzontale convenzionale, l'urto si posizionava esattamente dove si trovava la cerniera dell'equilibratore, cosicché una deflessione del timone non aveva più effetto. Le eliche, le cui punte delle pale girano più velocemente dell'aereo, incontravano lo stesso problema ancora prima, una delle ragioni per cui nessun aereo a elica ha mai raggiunto il supersonico in volo livellato.

Le soluzioni vennero dalla teoria, dalle gallerie del vento e da un volo famoso. Ali sottili e a freccia ritardano l'insorgere del flusso supersonico locale; la ricerca tedesca degli anni '30 sulle ali a freccia fu adottata in tutto il mondo dopo il 1945. Uno stabilizzatore orizzontale interamente mobile, installato sul Bell X-1 su suggerimento di ingegneri della NACA, ripristinò il controllo di beccheggio. Spinta sufficiente, da razzi o postbruciatori, spingeva attraverso l'aumento di resistenza invece di evitarlo. Il 14 ottobre 1947, Chuck Yeager portò l'X-1 a Mach 1,06 in volo livellato sul deserto del Mojave, dimostrando che la barriera era un problema ingegneristico e non una legge di natura. La regola dell'area di Richard Whitcomb, pubblicata nel 1952, spiegò poi perché le fusoliere devono essere strette alla radice dell'ala, e nel giro di un decennio i caccia volavano abitualmente a Mach 2.

Oggi la barriera sopravvive soprattutto come fattore di costo. La resistenza d'onda supersonica è reale e permanente, cosicché il consumo di carburante per chilometro è circa il doppio rispetto a un jet subsonico. Il boom sonico persiste lungo tutta la traccia al suolo, ed è la regolamentazione, non la fisica, a mantenere gli aerei civili subsonici sulla terraferma.