Perché esiste la barriera del suono?

L'aria non è una parete solida davanti a un aereo; si sposta perché la perturbazione di pressione del muso che si avvicina la raggiunge prima e la mette in movimento. Questa perturbazione si muove esattamente alla velocità del suono, poiché un'onda sonora e un segnale di pressione sono la stessa cosa. Finché l'aereo è più lento del suono, il segnale viaggia in anticipo, l'aria comincia a spostarsi prima che l'aereo arrivi, e il flusso si adatta in modo fluido attorno alle ali e alla fusoliera. Quando l'aereo accelera, il segnale ha meno vantaggio. Alla velocità del suono, non ne ha più: l'aereo arriva nello stesso istante della propria onda di pressione, e l'aria non riceve alcun preavviso.

L'aria che non può spostarsi in anticipo viene compressa quasi istantaneamente in uno strato molto sottile, un'onda d'urto, attraverso cui pressione, densità e temperatura salgono bruscamente. Generare questo salto consuma energia proveniente dall'aereo e si manifesta come un aumento improvviso della resistenza, spesso più volte superiore al valore subsonico, nella fascia transonica tra Mach 0,8 e 1,2. Le onde d'urto si formano prima sulla superficie curva superiore dell'ala, dove l'aria viene accelerata localmente a velocità supersonica mentre l'aereo stesso vola ancora in regime subsonico. Dietro l'onda d'urto, il flusso spesso si separa dalla superficie, causando forti vibrazioni (buffeting) e perdita di portanza. La barriera, quindi, non si trova a una velocità esatta; è una fascia di velocità in cui il comportamento dell'aria cambia radicalmente.

Il nome risale alla Seconda Guerra Mondiale, quando i caccia a elica veloci raggiungevano circa Mach 0,8 in picchiata e incontravano effetti per i quali nessuno aveva progettato. Le onde d'urto sopra l'ala spostavano il centro di portanza all'indietro e spingevano il muso ulteriormente verso il basso durante la picchiata, una tendenza chiamata Mach tuck. Gli elevatori, situati nell'aria perturbata dietro un'onda d'urto, perdevano efficacia, per cui tirare la barra di comando non aveva alcun effetto, e diversi aerei si disintegrarono o si schiantarono. Le eliche peggioravano la situazione, poiché le punte delle pale raggiungevano la velocità supersonica prima dell'aereo stesso, perdendo spinta nel processo. Gli ingegneri conoscevano la fisica dei proiettili di fucile e dei colpi di artiglieria, che attraversano regolarmente questa fascia, ma solo i motori a getto e a razzo, le ali sottili e uno stabilizzatore orizzontale completamente mobile diedero a un aereo pilotato la spinta e la controllabilità per fare lo stesso. Una volta che questi mezzi esistettero, la barriera rimase reale come aumento della resistenza e boom sonico, ma cessò di essere un limite.