Perché sentiamo il boom sonico e cos’è di preciso? Gli aspetti fisici del fenomeno

Avete mai sentito dei suoni spaventosamente potenti dopo il passaggio dei caccia militari? Questi suoni sono chiamati boom sonici, si possono sentire a terra quando un caccia viaggia ad una velocità maggiore di quella del suono (circa 1235 km/h) e si generano a causa di onde d'urto molto potenti prodotte dal Cono di Mach. Associato al boom sonico inoltre si verifica un altro particolare fenomeno: la formazione di un cono bianco simile ad una nuvola attorno al caccia.

Ma perché si sente un boom sonico? Ma soprattutto, che cos’è il cono bianco che si forma? In questo video-articolo vediamo gli aspetti scientifici che si celano dietro questo fenomeno fisico davvero incredibile, facendoci aiutare con delle inedite animazioni 3D, partendo dal capire come funziona il suono.

Come funzionano le onde sonore?

Nell’aria, il suono si propaga attraverso un’onda sonora che si genera quando un oggetto vibra. La vibrazione poi si trasferisce alle molecole che compongono l'aria attorno alla zona che sta vibrando. Ecco, queste vibrazioni si propagano a catena generando un'onda sonora, raggiungono l’orecchio e il nostro cervello le trasforma in suono.

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Ora, queste onde si propagano in tutte le direzioni, esattamente come quando gettiamo un sasso nell’acqua. Nell’acqua vediamo solo le 2 dimensioni, ma nell’aria le onde sonore si propagano in 3 dimensioni, si formano proprio delle onde sonore sferiche.

Capito questo ora dobbiamo concentrarci sulla velocità di chi emette un suono, perché chi emette il suono o è fermo, o è ad una velocità più bassa del suono o addirittura, nel caso dei caccia, ad una velocità più alta di quella del suono.

Come varia il suono in base alla velocità

Se il corpo che emette il suono è fermo, le onde sonore si propagano in modo regolare e sentiremo un suono normale: quando ascoltiamo la musica dalle casse, la cassa rimane ferma e le onde sonore si propagano regolarmente.

Se invece chi emette un suono è in movimento, le cose cambiano. Avete presente quando un’ambulanza passa e prima sentiamo una frequenza e poi quando passa la frequenza si abbassa? Questo si chiama effetto Doppler e si verifica perché le onde sonore davanti all’oggetto si comprimono e il suono avrà una frequenza più alta, mentre dietro all’oggetto le onde si distanziano e sentiremo una frequenza più bassa.

Ecco, la compressione delle onde è ciò che permette di capire il boom sonico e che spiega anche perché si vede il classico cono bianco. Vediamo quindi cosa succede se la velocità è uguale o superiore a quella del suono.

Perché sentiamo il boom sonico

Se chi emette il suono viaggia ad una velocità superiore a quella del suono, ovvero più di circa a 1.235 km/h, le onde sonore non riescono ad allontanarsi dalla fonte del suono, in pratica è come sei si concentrassero tutte insieme nello stesso punto. Questa compressione estrema delle onde genera appunto un onda d’urto così potente che può raggiungere anche i 135 dB!

Questa onda d'urto è chiamata cono di Mach. Il cono di Mach è quindi una zona di compressione dell'aria responsabile del caratteristico boom sonico che si sente quando un aereo supera la velocità del suono. Il boom sonico però viene generato continuamente! Quindi, quando l'onda di percussione colpisce il suolo, ogni ascoltatore che si trova sulla sua traiettoria sentirà il boom supersonico, questo è chiamato “Boom Carpet”. Quindi non è un unico bang, ma piuttosto un bang continuo!

Cos'è il cono bianco che si forma sui caccia

Ora, parliamo della nuvola bianca che si forma. Immediatamente dietro alla zona dove le onde sono tutte compresse, si forma una zona dove invece abbiamo una decompressione, quindi un’espansione. E quando espandiamo velocemente l’aria, l’umidità presente all’interno si trasforma immediatamente in piccolissime goccioline di acqua liquida. Questo perché in fisica, quando si comprime un gas la temperatura aumenta, mentre quando si espande un gas la temperatura diminuisce: a basse temperature l’umidità condensa.

Ecco quindi il cono che si forma non è alto che tantissime goccioline di umidità condensata.

Aerei che superano la velocità del suono

Parliamo un po’ di aerei! Senza dilungarci molto perché ne esistono tanti, vi parliamo di quelli più famosi.L’aereo supersonico con motori a reazione che detiene il record di velocità assoluta è il famigerato SR-71 "Blackbird" che ha raggiunto la velocità massima di 3529,56 km/h nel 1976. In tempi più recenti gli aerei di 5° generazione, sono un concentrato di potenza e tecnologia, aerei estremamente agili a qualsiasi velocità, come l’americano F-22 Raptor, descritto come il miglior aereo da combattimento stealth (ovvero invisibile ai radar, magari facciamo un video ad hoc) di tutti i tempi, che può raggiungere la vMax di 2410 km/h, oppure l’europeo Eurofighter Typhoon, in dotazione alla nostra Aeronautica Militare che raggiunge 2495 km/h. Mentre se ci spostiamo in Russia il Sukhoi Su-57 aereo da caccia anch’esso stealth, può raggiungere una vMax di 2695 km/h. Ovviamente non possono mancare quelli civili, infatti l’aereo commerciale supersonico per eccellenza è il famigerato Concorde, un aereo capace di fare Londra-New York in solo 3 ore e mezzo, raggiungendo una velocità massima di 2179 km/h. Non tutti sanno che  anche l’Unione Sovietica aveva il suo Concorde, il Tupolev Tu-144 capace di raggiungere una velocità massima di 2500 km/h.

Questi aerei andarono fuori servizio perché generavano un boom sonico così intenso da provocare danni strutturali ad alcune abitazioni e alle orecchie di molti cittadini che si trovavano nella traiettoria dell’aereo, tant’è che negli Stati Uniti è viea sorvolare a velocità supersonica sulla terraferma.