Cómo se hincha una onda de choque en aire enrarecido exprés

‹›

Un cilindro se estrella a gran velocidad contra el aire y a su alrededor nace una onda de choque: un límite brusco donde el aire se comprime y se calienta al instante. Ernst Mach fue el primero en fotografiar estas discontinuidades, y desde entonces estamos acostumbrados a pensar en ellas como paredes delgadas, casi invisibles.

Pero si el aire está muy enrarecido, como a 80 kilómetros de altitud, las moléculas vuelan de una en una, casi sin chocar entre sí. En el nuevo trabajo, los científicos calcularon ese flujo en una computadora, siguiendo paso a paso el destino de millones de partículas. Resultó que con una rarefacción fuerte, el límite nítido desaparece. En lugar de una discontinuidad brusca, aparece una amplia capa de transición "hinchada", donde el gas se comprime gradualmente. No es solo un engrosamiento de la imagen conocida, sino un cambio en el propio mecanismo de compresión.

El papel clave aquí lo juega el camino libre medio: la distancia que recorre una molécula entre colisiones. En un medio denso, es microscópica y la onda resulta delgada. En uno enrarecido, el camino libre es comparable al tamaño del propio cuerpo, y la compresión se extiende a lo largo de decenas de centímetros. Los autores del trabajo mostraron que el aumento del espesor de la capa de compresión está determinado precisamente por este parámetro, y no simplemente por el grado de compresión del gas.

Este resultado es importante para el diseño de cápsulas de reentrada y aviones hipersónicos. Cuando una nave entra en la atmósfera a una velocidad de 10 Mach, un error en el cálculo de la onda de choque puede provocar sobrecalentamiento o una trayectoria incorrecta. Comprender cómo se "hincha" la onda en aire enrarecido ayuda a hacer más seguros los escudos térmicos.