Perché si "rompe" la barriera del suono?

L'aria trasmette le perturbazioni di pressione alla velocità del suono, circa 340 m/s (1.225 km/h, 661 kn) al livello del mare e più vicino ai 295 m/s (1.062 km/h) nell'aria fredda dell'altitudine di crociera degli aerei di linea. Un aereo che si muove più lentamente manda un avviso davanti a sé: il suo campo di pressione raggiunge l'aria davanti, e il flusso si divide in modo fluido. Quando l'aereo si avvicina a Mach 1, l'avviso arriva con sempre meno anticipo, e a Mach 1 non arriva più. L'aria viene colpita senza preavviso, e la sua pressione, densità e temperatura cambiano quasi istantaneamente attraverso una superficie sottile: un'onda d'urto.

Molto prima che l'aereo nel suo insieme raggiunga Mach 1, l'aria che accelera sopra la superficie curva dell'ala diventa localmente supersonica, cosicché a velocità di volo di circa Mach 0,8 compaiono già piccole onde d'urto sull'ala. La fascia tra circa Mach 0,8 e 1,2 è il regime transonico, ed è lì che si trova il problema.

Nel regime transonico la resistenza aumenta bruscamente, a volte moltiplicandosi, perché le onde d'urto consumano energia e ispessiscono lo strato limite dietro di esse. Peggio ancora: gli urti si spostano lungo l'ala con la velocità, spostando il centro di portanza all'indietro e privando la coda di un flusso pulito. I piloti degli ultimi caccia a pistoni di fine guerra, che entravano in picchiata ad alta velocità, sperimentavano un forte abbassamento del muso, comandi apparentemente bloccati e violento flutter; alcuni aerei si disintegravano in volo. Per gli ingegneri degli anni '40, l'aumento di resistenza nel grafico sembrava un muro, e la stampa lo chiamò la barriera del suono.

La soluzione non stava solo nella forza bruta, ma nella geometria: ali sottili, freccia per ridurre il numero di Mach effettivo percepito dall'ala, uno stabilizzatore orizzontale completamente mobile per mantenere il controllo di beccheggio, e più tardi la regola dell'area, che smussa l'andamento della sezione trasversale lungo la fusoliera. Il 14 ottobre 1947, Chuck Yeager portò il Bell X-1, a propulsione a razzo e modellato come una cartuccia calibro .50 con ali dritte e sottili, a Mach 1,06 a circa 13.000 m (43.000 ft) di altitudine. Il muro era stato rotto, e l'altro lato si rivelò più tranquillo: una volta che il flusso diventa completamente supersonico, si stabilizza, e la resistenza, sebbene elevata, non aumenta più così bruscamente.

Le onde d'urto non scompaiono una volta che un aereo ha superato Mach 1; si trascinano dietro di esso come un cono, il cui angolo di apertura dipende dal numero di Mach. Dove il cono tocca il suolo, le persone sentono un boom sonico, tipicamente un doppio boom, perché l'urto di prua e l'urto di coda arrivano a una frazione di secondo di distanza. Per questo si dice solitamente che si "rompe" il muro, invece di "superarlo": l'evento udibile è un vero e improvviso rilascio di energia, e accompagna l'aereo per tutto il tempo in cui mantiene la velocità supersonica.