Schiocchi di frusta e aerei supersonici

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  • 10-06-2002
  • di Andrea Frova

Nella mia attività di divulgazione scientifica, che ormai vanta qualche anno di vita, ogni tanto mi viene chiesto quale fenomeno fisico stia alla base dello schiocco di frusta. L'ultimo lettore in ordine di tempo a rivolgermi la domanda è stato Ettore Gioannini, il quale così mi scrive: "E' possibile - come ho letto da qualche parte - che il crepitio generato dalla frusta di un domatore di belve sia un vero e proprio bang sonico come quello prodotto dai jet quando superano la velocità del suono? Tenuto conto che quest'ultima è di ben 1200 km/h, scettico come sono di natura faccio fatica a credere che la frusta possa arrivarci".

Ebbi occasione di interrogarmi sul fenomeno quando, anni fa, fui portato in una fattoria nella puszta ungherese, dove robusti cow-boy - non ricordo come si chiamavano nella lingua locale - offrirono agli ospiti un tipico spettacolo di cavalli, guarnito dalla più incredibile messe di schiocchi di frusta. Più rumore più onore, sembrava essere il motto. Ebbene sì, questa è la spiegazione più probabile del fenomeno, e le ragioni sono quelle che illustrerà tra breve. Prima perà voglio ricordare qual è la causa del bang (o boom) associato al raggiungimento di velocità supersoniche.

In ogni materiale il suono - che è un'onda costituita da una successione temporale di massimi e minimi di pressione - ha una sua particolare velocità, che è dettata da quella con cui le molecole costituenti il materiale sono capaci di trasmettere la perturbazione ondosa a quelle vicine. In genere, meno denso è il materiale, maggiore è la distanza media tra le molecole, più lento è il suono (così nell'aria è di 340 m/s, pari appunto a circa 1200 km/h, contro 1400 m/s nell'acqua). Vediamo che cosa succede a un aereo quando avanza nell'aria. Nel suo avanzamento, l'aereo deve aprirsi un varco tra le molecole dell'aria, ma quando il velivolo raggiunge la velocità del suono questo processo deve avvenire troppo in fretta perchE9 le molecole riescano a "scansarsi" in tempo utile, con la conseguenza che esse subiscono una forte compressione davanti al muso dell'aereo e fanno nascere una vigorosa onda d'urto. L'aeroplano avanza portando con sè l'onda di bang e le persone a terra la avvertono come un botto improvviso quando l'aereo passa sopra le loro teste.

Veniamo adesso alla frusta, per solito un nerbo di bue. Quando la mano del domatore imprime un secco strattone all'impugnatura, viene generata un'onda meccanica che si propaga per tutta la lunghezza della frusta. L'energia cinetica associata all'onda è data dal prodotto della massa del tratto di frusta in movimento per il quadrato della sua velocità. A parte un piccola quantità di energia che si perde lungo il tragitto per via delle onde che si generano nell'aria smossa e degli attriti interni della frusta stessa, il pacchetto di energia cinetica si trasferisce dall'impugnatura alla punta del nerbo quasi inalterato. Ma la frusta ha sezione via via decrescente, riducendosi, in punta, a essere quasi filiforme. La massa in moto, quindi, va gradualmente decrescendo e alla fine è molto piccola: cià implica, per la conservazione dell'energia, che la velocità della punta sia estremamente elevata, facilmente superiore a quella del suono.

All'estremità della frusta si hanno vari processi: parte dell'energia meccanica si disperde nel mezzo ambiente dando appunto luogo all'onda di pressione che genera il bang sonico; parte viene riflessa e torna indietro lungo il suo percorso; parte infine va a danneggiare il cuoio costituente la frusta, che dopo un certo uso presenta una punta alquanto sfrangiata. In effetti, l'aria presso la punta è così compressa e riluttante a fendersi per lasciar passare la frusta, che si comporta quasi come un materiale rigido contro il quale la punta subisce un vero e proprio urto distruttivo. Si riconosce qui lo stesso problema degli aerei che, nell'infrangere la barriera del suono, vanno incontro a un severo stress fisico.

Tornando ai domatori, c'è da chiedersi se lo schiocco ultrasonico sia indispensabile al controllo delle belve. Evidentemente no, visto che taluni domatori moderni preferiscono usare le maniere dolci, ricorrendo a semplici gesti o a oggetti comuni, come sediole o bacchettine tipo direttore d'orchestra. Ma certo fa molta impressione sul pubblico, specialmente dei bambini, o almeno lo faceva al tempo in cui non eravamo ancora abituati agli assordanti rumori che caratterizzano il nostro vivere odierno.à

 

Andrea Frova

Professore di Fisica Generale

Università di Roma "La Sapienza"

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