Una domanda relativa al muro del suono: nello specifico vorrei sapere cosa avviene quando un aereo supera la velocità del suono producendo il caratteristico bang sonico. Guardando un filmato trovato su Internet ho notato che intorno all’aereo si forma una nuvola presumo di vapore acqueo condensato di cui non riesco a darmi una spiegazione, vorrei dunque capire nel dettaglio tutto quello che è relazionato al fenomeno.

Caro lettore,
premetto che la mia risposta coprirà solo alcuni aspetti della sua domanda
… io mi occupo di Meccanica dei Fluidi e non direttamente di Aereodinamica.
Forse la differenza le puo’ apparire minima, ma in buona sostanza questo
significa che sono abituato a trattare moti subsonici e non transonici
o supersonici.

Il fenomeno
che la incuriosiva e’ peraltro presente sia nei moti transonici che, sotto
particolari condizioni, nei moti subsonici e quindi spero che la mia risposta,
se pur parziale, le sia di aiuto.

Cominciamo
dalla nuvola, che effettivamente non è nient’altro che vapor d’acqua
condensato.
Immagini
un cilindro con un pistone, pieno per la meta’ di acqua e per l’altra
meta’ di aria inizialmente secca, ferma, a pressione e temperatura costante.
In queste condizioni si avra’ un processo di evaporazione che portera’
l’aria a saturarsi di vapore d’acqua. Le condizioni di saturazione sono
determinate dalla cosiddetta pressione (o tensione) di vapore, che varia
con pressione e temperatura ed esprime l’equilibrio dinamico tra evaporazione
e condensazione. In pratica, se si aspetta un certo tempo, la quantita’
di vapore contenuta nella fase gassosa (inizialmente nulla) assume un
valore costante. Se adesso alziamo il pistone la pressione diminuira’
e la quantita’ di vapore contenuta nella fase gassosa dovra’ diminuire
per portarsi al nuovo valore di equilibrio. Se eseguo l’operazione molto
lentamente il sistema potra’ portarsi all’equilibrio, ma se abbasso bruscamente
la pressione, il vapore in eccesso condensera’ istantaneamente producendo
una nuvola. Noti che il vapor d’acqua e’ invisibile: la nuvola e’ formata
da goccioline di vapore condensato (acqua) che quindi diventano visibili.

Immagini
adesso di avere una corrente umida (satura cioe’ di vapor d’acqua non
condensato). Per schematizzare il moto di un aereo che si muove a velocita’
costante in un fluido (l’aria) fermo, si fa di solito riferimento ad un
aereo fermo immerso in un fluido che si muove alla (reale) velocita’ dell’aereo,
un po’ come accade in una galleria del vento. I fenomeni che si osservano
nei due casi sono ovviamente identici. Abbiamo dunque una corrente umida
che si muove ad una certa velocita’ sopra uno specchio d’acqua. La sua
pressione e’ costante (1 atmosfera?) e il vapore d’acqua in essa contenuto
e’ in equilibrio: a quelle condizioni di pressione e temperatura, la quantita
di acqua presente come vapore e’ fissata. Se ora introduco un aereo fermo
in questa corrente, la sua presenza generera’ un disturbo che si esprime
attraverso una variazione delle caratteristiche locali di velocita’ e
di pressione.

Veda a questo
scopo i campi di velocita’ e pressione intorno ad un profilo alare descritti
nel sito: http://www.diam.unige.it/~irro/profilo.html

In particolari
condizioni (forti angoli di attacco) la presenza del profilo causa una
brusca caduta di pressione in prossimita’ della faccia superiore del profilo
e quindi una condensazione di vapor d’acqua nella zona a bassa pressione.
A questo indirizzo puo’ osservare alcuni esempi di questo tipo di condensazione:
http://www.eng.vt.edu/fluids/msc/gallery/conden/063b.htm

In particolare,
questa immagine e’ particolarmente significativa: http://www.eng.vt.edu/fluids/msc/gallery/conden/l_c013.htm

In pratica
il vapore condensato “marca” le zone a bassa pressione, secondo il meccanismo
sopra descritto. Quello descritto non e’ l’unico meccanismo che genera
un brusco abbassamento di pressione e quindi la comparsa di una nuvola.
Nel caso di moto transonico, all’attraversamento del muro del suono corrisponde
la formazione di un’onda di shock e quindi di una discontinuita’ delle
pressioni che causa la formazione di una nuvola conica che circonda l’aereo:
http://www.eng.vt.edu/fluids/msc/gallery/conden/pg_sing.htm

Non
necessariamente la zona in cui e’ presente la nuvola coincide con la zona
di moto supersonico (in cui cioe’ le velocita’ sono superiori a quella
del suono), mentre e’ senz’altro vero che in quella regione la pressione
e’ scesa bruscamente per effetto dell’attraversamento del muro del suono.
Nel regime transonico, esiste la cosiddetta “singolarita’ di Prandtl-Glauert”
che produce un’amplificazione delle perturbazioni di pressione in un fluido
comprimibile. Per effetto di questa singolarita’ le regioni a bassa pressione
che abbiamo individuato nell’esempio precedente vengono amplificate e
producono il cono di condensazione evidenziato in diverse fotografie e
filmati.

L’ultimo
esempio di condensazione associata a bruschi abbassamenti di pressione
e’ quella dovuta ai vortici tridimensionali che si formano tipicamente
al bordo delle ali. Un filamento vorticoso e’ una zona di fluido in moto
rotatorio molto rapido. Se immagina di attraversare un filamento vorticoso
muovendosi sulla sua sezione (immagini un cerchio) e spostandosi dalla
periferia verso il centro e poi ancora verso la periferia uscendo dall’altra
parte, la velocita’ periferica passa da un valore finito a zero e poi
cambia di segno. A causa di questa rapida (nello spazio) inversione di
velocita’ la pressione nella regione centrale del filamento tende ad abbassarsi.

Osservi questa immagine: http://www.eng.vt.edu/fluids/msc/gallery/conden/f16_17b.htm

dove si puo’
vedere una doppia scia di vortici: la piu’ esterna e’ associata ai cosiddetti
wing tip vortex ed e’ legata al fatto che l’ala ha una dimensione trasversale
finita e quindi in prossimita’ della punta dell’ala il moto tende a diventare
tridimensionale producendo un filamento vorticoso che ha origine proprio
sulla punta dell’ala e asse parallelo al moto del fluido (o dell’aereo);
la piu’ interna, se la osserva attentamente, ha al suo interno una linea
piu’ scura (assenza di condensazione) dovuta probabilmente alla forza
centrifuga che spinge le goccioline di vapore condensato verso l’esterno.
Questi secondi filamenti vorticosi hanno origine in vicinanza della carlinga
come si vede meglio in questa foto: http://www.eng.vt.edu/fluids/msc/gallery/vortex/f16_st.htm
e sono associati al disturbo provocato dalla fusoliera.

Spero di
aver risposto in modo esauriente alla sua domanda. Mi scuso per la lunghezza
del messaggio ma le foto erano troppo belle per non venire commentate!