Látigo supersónico

Publicado en el blog de Martín Monteiro .
Léelo completo en su sitio: http://fisicamartin.blogspot.com/2019/01/latigo-supersonico.html

Espectacular visualización con técnica schlieren de la onda de choque supersónica de un látigo.
En este nuevo video de Smarter Every Day, los ingenieros Destin Sandlin y April Jennifer Choi utilizan una cámara de alta velocidad (a 35000 cuadros por segundo) enfocada en un sistema schlieren, para capturar la formación de una onda de choque que da lugar al clásico chasquido del látigo.
En esta imagen se observan 4 fotogramas seleccionados del momento en que se produce la onda de choque. El tiempo total de la secuencia es de apenas medio milisegundo.

Aquí el video completo:


La invitada en este video es April Jennifer Choi. Ella es ingeniera mecánica con maestría en dinámica de fluidos computacional y artista de látigo profesional con varios récords Guinness por sus habilidades con el látigo.



Estampido sónico:

Cada vez que un objeto supera la velocidad del sonido (es decir que se vuelve supersónico) se produce una onda de choque. Esta onda generalmente da lugar a un estampido sónico, que es un fuerte sonido similar al de una explosión. Este fenómeno es muy común en los aviones de combate supersónicos. Pero seguramente el primer estampido sónico generado por el ser humano haya sido el chasquido de un látigo. Debido a la forma en que se afina el látigo y a la manera en que se propagan los pulsos, la velocidad del material puede aumentar muy rápidamente hasta superar la velocidad del sonido. En ese momento se produce la onda de choque (analizada en este video) que da lugar al chasquido.

Schlieren:

El sistema schlieren permite observar objetos de fase, es decir que permite poner en evidencia diferencias en el índice de refracción de un material. Básicamente es muy útil para visualizar cambios en la densidad de un fluido, tal como ocurre cuando hay gradientes de temperatura (el aire calentado por una llama) o cuando se producen ondas de presión (como en el caso del látigo). Más abajo dejo un video de Veritasium (Derek Muller), que explica cómo montar un sistema schlieren.
Para más información sobre la física del chasquido del látigo, dejo enlaces a un par de artículos técnicos que son referencia en este tema:

Krehl, P., Engemann, S. & Schwenkel, D. (1998)
“The puzzle of whip cracking – uncovered by a correlation of whip-tip kinematics with shock wave emission”
Shock Waves 8(1), 1-9
Resumen:

Durante el chasquido del látigo, la punta alcanza una velocidad supersónica durante un período de aproximadamente 1,2 ms, emitiendo así una onda de choque con una geometría de forma parabólica. Un estudio detallado de este mecanismo, que abarca el análisis del movimiento del látigo y la determinación del origen local de la emisión del pulso, requiere una técnica de grabación sofisticada. Se utilizó un sistema de cámara de video de alta velocidad con encuadre previo al disparo que se activó mediante un sensor acústico y se sincronizó con un láser pulsado de vapor de cobre. Los fenómenos se visualizaron mediante el método de sombras directo y se registraron cinematográficamente como imágenes digitales a una velocidad de fotogramas de 9 kHz utilizando una matriz CCD con 256 (H) × 128 (V) píxeles. La serie de cuadros resultantes permitió, por primera vez, (i) una reconstrucción de la trayectoria de la punta de látigo, (ii) una determinación de la velocidad y aceleración del extremo, (iii) una correlación de la cinemática de la punta de látigo con la emisión de ondas de choque y (iv) un análisis del movimiento del mecanismo de giro y despliegue del extremo. El mechón en la punta del látigo se aceleró a una distancia de aproximadamente 45 cm desde un número de Mach M = 1 hasta un máximo de M = 2,19, alcanzando así una aceleración máxima de 50000 g. El choque se emite en el momento en que el extremo llega al punto de giro del lazo y se da vuelta rápidamente. Después de la emisión de la onda de choque M

Goriely, A. and McMillen, T. (2002)
“Shape of a Cracking Whip”
Physical Review Letters 88(24), 244301
Resumen:

El chasquido de un látigo es producido por una onda de choque creada por el movimiento supersónico de la punta del látigo en el aire. En este artículo se presenta un modelo dinámico simple sobre la propagación y aceleración de ondas en el movimiento de un látigo. Se estudian de forma teórica y numérica las contribuciones respectivas que la tensión, el estrechamiento y las condiciones de borde tienen en la aceleración de un impulso inicial.

Video de Veritasium sobre la técnica schlieren:

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