Zo blijkt dat Felix Baumgartner sneller viel dan een symmetrisch, glad lichaam gedaan zou hebben.

Weet je nog, toen vijf jaar geleden de Oostenrijkse waaghals Felix Baumgartner met zijn vrije val vanuit de ruimte de geluidsbarrière doorbrak? Onderzoekers van de Technische Universiteit van München hebben zijn val aandachtig bestudeerd in een nieuwe studie. Met een verassend resultaat: Baumgarter viel met zijn onregelmatig gevormde uitrustig sneller dan een glad, symmetrisch lichaam. Huh?

Felix Baumgartner maakte zijn gewaagde sprong op 14 oktober 2012 van een hoogte van bijna 39 kilometer. Hiermee zette hij een wereldrecord neer: het was de allereerste keer ooit dat een mens de geluidsbarrière had doorbroken met een vrije val.

Hoge snelheid
Prof. Ulrich Walter, hoofd van de Tum Chair of Astronautics, greep de recordpoging van Baumgartner aan als een unieke gelegenheid om te bestuderen hoe een onregelmatig gevormd object valt. En de eerste verassing kwam al kort na de landing, herinnert Walter zich. “Onze berekeningen, gebaseerd op de vloeistofdynamica van een glad lichaam, gaven aan dat Baumgartner minimaal vanaf een hoogte van 37 kilometer moest springen om door de geluidsbarrière te breken,” legt hij uit. “Dat wil zeggen dat hij sneller moest vallen dan Mach 1 of ongeveer 1200 kilometer per uur. Maar in werkelijkheid bereikte Baumgartner een veel hogere snelheid van Mach 1,25.”

Mach is een getal waarmee de verhouding wordt aangegeven tussen de snelheid van een voorwerp in bijvoorbeeld de lucht en de snelheid van het geluid in de lucht. Mach 1 is de snelheid die precies gelijk is aan de lokale geluidssnelheid. Een object dat zich bijvoorbeeld met Mach 2 beweegt, heeft een snelheid die twee keer groter is dan die van het geluid.

Aerodynamica
Maar hoe kan het dat een atleet met beschermend pak en rugzak sneller valt dan een symmetrisch voorwerp met een glad oppervlak? Met behulp van data over de atmosferische druk, temperatuur, de snelheid van Baumgartner en zijn positie in de ruimte tijdens de sprong, was het voor het eerst mogelijk om de aerodynamica van een onregelmatig gevormd lichaam bij extreme snelheid te onderzoeken. “Het onderzoek toont aan dat deuken, rimpels en onregelmatigheden de aerodynamische weerstand voorbij de snelheid van het geluid aanzienlijk verminderen,” zegt Walter.

Golfbal
Hoe werkt dat precies? Allereerste is het berekenen van de vloeistofdynamica dichtbij de geluidsbarrière allesbehalve eenvoudig, omdat een aantal verschillende fysische verschijnselen overlappen: bij een snelheid tussen mach 0,7 en 1,3 is de luchtstroom rond een bewegend voorwerp niet langer elastisch, maar reageert de lucht stijf. Er vormen schokgolven, wat resulteert in turbulentie. Op zijn beurt absorbeert deze turbulentie energie, wat leidt tot een toename van de aerodynamische weerstand bij snelheden die dichtbij de snelheid van het geluid liggen. Omgekeerd kunnen onder bepaalde stroomomstandigheden, onregelmatigheden in het oppervlak de aerodynamische weerstand verminderen, net zoals een golfbal met kleine kuiltjes op het oppervlak beter vliegt. Op die manier kan ook een lichaam in vrije val sneller zijn dan een glad en symmetrisch lichaam.

Op dit moment zijn de berekeningen nog puur fundamenteel onderzoek, maar wie weet zullen we later profijt hebben van deze studie. Zo denkt Walter dat als de snelheden van vliegtuigen zullen blijven stijgen, de onderzoeksresultaten op een dag nuttig kunnen zijn.