¿Qué causa el impacto de los diamantes?

Cuando un gas se expande demasiado, la presión del gas en el escape es menor en comparación con la atmósfera exterior, lo que hace que el escape se comprima o apriete hacia adentro. Esta compresión aumenta la presión de escape. Sin embargo, el flujo puede comprimirse tanto que su presión exceda la presión atmosférica. En este punto, el flujo de aire se expande nuevamente hacia afuera para reducir la presión.

Este proceso también puede continuar durante mucho tiempo, provocando que la presión dentro de la columna vuelva a ser inferior a la presión ambiental. Con el tiempo, el proceso de compresión y expansión se repite y la diferencia entre la presión del gas en el escape y la presión atmosférica exterior disminuye gradualmente hasta que la presión del escape es la misma que la presión atmosférica ambiental.

Los anillos de Mach reciben su nombre de Ernst Mach, el físico que los describió por primera vez.

Proceso de formación

Cuando la boquilla del motor descarga el flujo de aire expandido, el flujo de aire cercano a la línea central fluirá paralelo a la línea central del eje longitudinal de la boquilla. Sin embargo, la presión atmosférica ambiental fuera del límite del chorro libre es mayor que la presión de escape, lo que obliga a que la dirección del flujo de escape cambie hacia adentro, hacia la línea central. Este cambio se produce a través de un tipo de onda llamada onda de choque oblicua.

La dirección de la onda de choque oblicua forma un cierto ángulo con la dirección del flujo de aire que fluye a través de ella y aumenta la presión del flujo de aire que pasa. En particular, las ondas de choque perpendiculares a la dirección del flujo de aire se denominan ondas de choque normales. Cuando el flujo vuelve a girar paralelo a la línea central, aparece una onda de choque normal y crea un disco de Mach en el flujo de escape.

La temperatura del flujo de aire que pasa a través de este amortiguador normal aumenta, lo que hace que el exceso de combustible en el escape se encienda, lo que hace que el combustible se queme, lo que hace que el disco Mach brille y forme un patrón de anillo visible. Al igual que las ondas de choque oblicuas, las ondas de choque normales también aumentarán la presión del escape. Cuando la presión del escape es mayor que la presión de la atmósfera circundante, el flujo de aire comienza a fluir hacia afuera y expandirse.

Este cambio se logra mediante una serie de ondas de expansión que se reflejan desde el límite del chorro libre hasta la línea central. Estas ondas mueven el aire hacia afuera y reducen la presión del aire. Luego, la onda de expansión se encuentra con la onda de expansión formada en el otro lado de la boquilla en la línea central y comienza a reflejarse hacia afuera.

A medida que el aire pasa a través de estas ondas de expansión reflejadas, fluye paralelo a la línea central y reduce la presión nuevamente. Estos dos conjuntos de ondas de expansión se denominan colectivamente ventiladores de expansión. Cuando la onda de expansión alcanza el límite del chorro libre, se refleja nuevamente hacia adentro, generando una onda de compresión y un ventilador de compresión.

Estas ondas de compresión fuerzan el flujo de aire hacia adentro y aumentan la presión. Si las ondas de compresión son lo suficientemente fuertes, se fusionarán en una onda de choque oblicua, formando un nuevo disco de Mach, similar al disco de Mach cerca de la salida de la boquilla. Esta serie de ondas de choque oblicuas y de compresión aumenta la presión del flujo de escape, provocando la formación de un nuevo ventilador de expansión. Este proceso se repite una y otra vez, creando una serie de discos Mach.

Un proceso similar ocurre con un flujo de aire insuficientemente expandido proveniente de una boquilla superior. La secuencia de compresión y expansión es la misma que la descrita para una boquilla de sobreexpansión, excepto que comienza con la creación de un ventilador de expansión, lo que hace que el flujo de aire fluya inicialmente hacia afuera en lugar de comprimirse hacia adentro. Independientemente, una serie posterior de expansiones y compresiones da como resultado la formación del mismo disco Mach aguas abajo.

En un gas ideal, este proceso de expansión y contracción continuaría para siempre, creando un número infinito de discos de Mach. Sin embargo, los gases reales no son ideales y la fricción creada en el límite del chorro libre entre la atmósfera ambiente y los gases de escape conduce a la formación de una capa de corte turbulenta. Esta capa crea una amortiguación viscosa que disipa gradualmente la estructura de las olas. Esta fricción viscosa finalmente equilibra la diferencia de presión entre los gases de escape y la atmósfera circundante, de modo que ya no se forma un disco de Mach.

Fuentes alternativas

Los diamantes de choque se asocian más comúnmente con la propulsión a reacción y cohetes, pero pueden formarse en otros sistemas.

1. Purga de gasoductos

Los diamantes de impacto se pueden ver durante la purga de gasoductos porque el gas está bajo alta presión y sale de la válvula de purga a velocidades extremadamente altas.

2. Artillería

Cuando se dispara el cañón, el gas sale de la boca del cañón a una velocidad supersónica y produce una serie de diamantes de impacto. El diamante provoca un destello brillante que revela la posición del arma al enemigo. Se descubrió que el impacto del diamante se minimiza en gran medida cuando la relación entre la presión del flujo y la presión atmosférica es cercana. Agregar un freno de boca al final del cañón iguala la presión y evita el impacto.

3. Chorros de radio

Se han observado algunas emisiones de radio de quásares y galaxias de radio, potentes chorros de plasma, con nudos de emisión de radio aumentados regularmente espaciados. Los chorros viajan a velocidades supersónicas a través de la delgada "atmósfera" del espacio, por lo que se especula que estos nudos son diamantes de impacto.

¿Referencia para el contenido anterior? Baidu Encyclopedia-Mach Disk