Imagen: El Cono de Mach es una imagen relevante del concepto de onda de choque y barrera del sonido. Cuando el plano excede Mach 1, las ondas caen en un cono con el plano como su vértice. El límite entre el cono de mach y el exterior forma una hipérbola que avanza con el plano. La intensidad de la explosión es el resultado del cambio abrupto en la presión cuando la presión del aire regresa repentinamente a su equilibrio promedio natural. Esta implosión de la onda sobre sí misma provoca el estallido.
Crédito: FA-18 Hornet rompiendo la barrera del sonido el 7 de julio de 1999 por Ensign John Gay, Marina de los EE. UU.
Onda de choque
Antes de explicar el efecto Cherenkov es necesario entender el fenómeno que crea la onda de choque que se produce detrás de un avión que supera la velocidad del sonido (≈340 m/s).
Cuando la velocidad del avión es menor que la velocidad del sonido, las ondas sonoras se propagan a su alrededor en todas las direcciones. Estas esferas concéntricas de presión de aire aumentan su radio en 340 metros cada segundo y el avión todavía está dentro del frente de onda. Así, las ondas sonoras producidas por las colisiones de las moléculas de aire se mueven más rápido que el avión y sus energías se disipan lentamente con el cuadrado de la distancia (i=p/4πr2).
Pero, a medida que aumenta la velocidad del avión, las olas que tiene delante se acercan y se asientan cada vez más, mientras que las que están detrás se estiran. Este efecto de expansión y contracción de las frecuencias del sonido es la causa del efecto Doppler (¡el sonido de los objetos sonoros que se acercan parece más agudo!).
La intensidad de las ondas sonoras puede sumarse como la altura de las ondas cuando se encuentran. Mientras el avión se mueva más lento que las ondas de sonido que crea, las ondas permanecen circunscritas unas dentro de otras sin que su energía se acumule.
Pero cuando el avión alcanza la velocidad del sonido, mientras genera nuevas ondas desde su posición actual, las ondas que tienen la misma fase se juntan, se acumulan frente a él y la presión sube repentinamente formando una onda de choque. Luego la presión disminuye a lo largo del avión para volver a subir repentinamente al nivel de la cola del avión. Estas dos sobrepresiones provocan dos estampidos sónicos tan próximos entre sí que nuestro oído solo percibe uno. Los pasajeros no escuchan este golpe porque el choque de presión detrás de la aeronave no puede alcanzar a la aeronave. Las ondas de choque luego se propagan en un cono llamado Cono de Mach.
Cuando la velocidad del avión supera Mach 1, atraviesa en un instante la barrera de aire comprimido que se había formado frente a él, es lo que se denomina barrera del sonido. La onda de choque que se produce hace que el aire circundante sufra bruscas variaciones de presión y temperatura. Sucede que la temperatura del aire desciende por debajo del punto de rocío, el vapor de agua contenido en el aire se condensa entonces en finas gotitas formando una nube que acompaña al avión en su vuelo supersónico como en la foto.
Explicación del efecto Cherenkov
Imagen: La luminosidad azulada del agua en las piscinas de enfriamiento de combustible gastado de las centrales nucleares es generada por el efecto Cherenkov.
La velocidad de la luz en el vacío (299792 km/s) es la velocidad máxima de movimiento de la energía. Pero se puede superar la velocidad de la luz en el agua (225563 km/s), lo que hace posible el efecto Cherenkov.
Crédito: Radiación de Cherenkov en el núcleo del reactor de prueba avanzado, Laboratorio Nacional de Idaho.
La luz de Cherenkov, del físico ruso Pavel Cherenkov (1904-1990), es un destello de luz producido por una partícula con carga eléctrica al moverse a través de un medio material (como el agua o el aire) con una velocidad mayor que la velocidad de la luz en este medio. La velocidad de la luz en el vacío es siempre mayor que esto.
La analogía entre el efecto Cherenkov y la onda de choque supersónica es fácil de imaginar.
Un avión que se mueve más rápido que el sonido a través del aire crea una onda de choque en la que se encuentran todas las ondas de sonido. La correspondencia con el efecto Cherenkov se realiza sustituyendo el plano por una partícula cargada y el sonido por la luz.
En un medio material como el agua o el aire, la luz viaja a una velocidad c1 = c/n.
c = velocidad de la luz en el vacío
n = índice de refracción del medio siempre > 1 (ejemplos: aire=1,0003, agua=1,333, fibra óptica=1,5, diamante=2,41)
Una partícula cargada puede moverse en este medio a una velocidad v mayor que c1 pero sigue siendo menor que c, lo que no contradice la teoría especial de la relatividad.
¿Qué explica esta emisión radiativa azul en el agua?
La partícula cargada interactúa a lo largo de su trayectoria con el medio que atraviesa. Durante su viaje por el agua, interrumpe temporalmente los átomos que encuentra. En otras palabras, los electrones se desvían de su posición inicial y luego regresan a su lugar. Así, cada átomo encontrado por la partícula devuelve la energía absorbida y se convierte en emisor de radiación. Todas las ondas emitidas por cada uno de los átomos se superponen de forma desordenada, presentan distintas fases, tanto que su suma se anula.
Sin embargo, la velocidad en el agua de la partícula cargada, que puede asimilarse al plano supersónico, es más rápida que la velocidad de la onda emitida por cada átomo en el agua. Cuando la partícula supera la velocidad de la luz en el medio, todas las ondas se encuentran en la misma fase y por lo tanto se suman constructivamente como en el caso de la onda de choque supersónica. Este fenómeno provoca entonces un frente de onda análogo a la barrera del sonido en el cono de Mach. Entonces se produce una transición repentina en toda la trayectoria de la partícula, es decir, 10 mil millones de veces por metro. El efecto Cherenkov se manifiesta, a lo largo de todo el recorrido, por la emisión de una onda luminosa en todas las longitudes de onda, con predominio del azul y el ultravioleta.
Estos destellos explican la luz azul en las piscinas de enfriamiento de combustible gastado de las centrales nucleares. Se debe a los electrones energéticos emitidos por la radiactividad que alcanzan velocidades superiores a la de la luz en el agua.
Los detectores Cherenkov están ubicados en grandes tanques de agua y se utilizan para detectar partículas de muy alta energía (Antarctic Muon and Neutrino Detector Array, Super-Kamiokande).
La luz de Cherenkov también participa en la detección de neutrinos producidos en reacciones nucleares en el núcleo del Sol (Observatorio de Neutrinos de Sudbury).
Todos los astronautas de las misiones Apolo se habían quejado de fosfenos durante sus misiones. Se descubrió que estas perturbaciones visuales luminosas se debían al efecto Cherenkov. Las partículas del viento solar que atraviesan el líquido de los globos oculares producen fosfenos. Tales fosfenos también ocurren en la Tierra, a razón de uno o dos en promedio por persona por año.