دیوار صوتی چیست و چگونه شکسته می گردد؟
به گزارش مجله بابلسر، هنگامی که سرعت جسمی به سرعت صوت نزدیک می گردد، کشش آیرودینامیکی ناگهان افزایش می یابد که به این افزایش، دیوار صوتی گفته می گردد. توجه به این نکته مهم است که دیوار صوتی، دیواری واقعی یا جامد نیست.
تا سال ها باور عمومی بر این بود که دیوار صوتی، سدی فیزیکی است. این سد گرچه واقعی، اما نامرئی است. تا قبل از سال 1947 میلادی، این باور وجود داشت که اگر هواپیما با سرعتی سریع تر از سرعت صوت حرکت کند یا به عبارتی دیوار صوتی را بشکند، مکوششی خواهد شد.
خاتمه در روز 14 اکتبر سال 1947 میلادی، معادل 21 مهرماه سال 1326 شمسی، خلبانی به نام چاک ییگر (Chuck Yeager)، در پروازی استثنایی، دیوار صوتی را شکست و سالم بر زمین نشست. در این مطلب به دو پرسش مهم دیوار صوتی چیست و چگونه شکسته می گردد، به زبان ساده پاسخ می دهیم.
دیوار صوتی چیست؟
هنگامی که سرعت جسمی به سرعت صوت نزدیک می گردد، کشش آیرودینامیکی ناگهان افزایش می یابد که به این افزایش، دیوار صوتی گفته می گردد. توجه به این نکته مهم است که دیوار صوتی، دیواری واقعی یا جامد نیست.
دیوار صوتی چگونه ایجاد می گردد؟
هواپیمایی را در نظر بگیرید که با سرعتی کمتر از سرعت صوت حرکت می نماید. هوا به عنوان سیالی بدون تلاطم در اطراف هواپیما وجود دارد. به بیان دیگر، جریان هوا در اطراف بال هواپیما، بدون تلاطم یا با کمترین تلاطم، حرکت می نماید. به این نکته توجه داشته باشید که به هیچ جسمی نمی توان ناگهانی و بدون مقدمه، شتاب داد. هرچه شتاب جسمی بزرگ تر باشد، نیروی ایجادنماینده آن شتاب نیز، بزرگ تر خواهد بود. بنابراین، برای آن که جسمی به صورت آنی شتاب بگیرد، باید نیروی وارد شده بر آن بی نهایت باشد.
هنگامی که هواپیما حرکت می نماید، نیرویی به نام نیروی درگ، در خلاف جهت حرکت هواپیما و از طرف مولکول های هوا بر آن وارد می گردد. از این رو، برای آن که اندازه نیروی درگ وارد شده بر بال های هواپیما کوچک باشد، مولکول های هوا باید به آهستگی از مسیر حرکت آن کنار بروند. سوالی که ممکن است مطرح گردد این است که چگونه مولکول های هوا از مسیر حرکت بال ها، کنار می روند. این مولکول ها قبل از رسیدن به بال های هواپیما، آغاز به حرکت می نمایند. به این نکته توجه داشته باشید که لایه های هوا قبل از رسیدن به بال ها، از یکدیگر جدا می شوند. این حالت، همان شتاب گرفتن آهسته و به مرور زمان است. به تصویر زیر دقت کنید. چگونه هوا در نقطه A می داند که باید از مسیر حرکت بال هواپیما، کنار برود؟
اتم های هوا پس از برخورد به بال هواپیما، در جهت های مختلف آغاز به ارتعاش و به اتم های مجاور برخورد می نمایند و سبب نوسان یا ارتعاش آن ها در جهت های مختلف می شوند. به همین ترتیب، حرکت ارتعاشی اتم ها به اتم های مجاور و خاتمه به نقطه A می رسد. از این رو، این گونه به نظر می رسد که اتم های هوا در نقطه A می دانند که باید از مسیر حرکت بال هواپیما دور شوند. به بیان دیگر، به هنگام حرکت هواپیما، موجی فشاری از سمت بال های آن به جلو حرکت می نماید. سرعت انتشار این فشار برابر سرعت صوت است.
هرچه سرعت حرکت هواپیما به سرعت صوت نزدیک تر می گردد، هوای کمتری از مسیر حرکت بال کنار می رود. زیرا فشار موجی ایجاد شده به وسیله بال هواپیما با سرعت کمتری نسبت به سرعت هواپیما، به اتم های جلوتر می رسد. هنگامی که هواپیما با سرعتی برابر سرعت صوت یا بیشتر حرکت می نماید، هوا نمی تواند از مسیر حرکت هواپیما کنار برود. زیرا فشار موجی نمی تواند سریع تر از سرعت صوت منتقل گردد. به بیان دیگر، قبل از آن که فشار موجی به اتم های هوا برسد، بال هواپیما به آن ها رسیده است. در این حالت، دیوار صوتی ایجاد می گردد.
سوالی که ممکن است مطرح گردد این است که در سرعت هایی برابر سرعت صوت یا بیشتر، چه اتفاقی رخ می دهد. اگر هواپیما با سرعتی نزدیک سرعت صوت یا بیشتر از آن حرکت کند، موج ضربه ای ایجاد می گردد. به بیان دیگر، اگر سرعت هواپیما بیشتر از سرعت صوت باشد، فشار موجی، فرصت کافی برای رسیدن به ذرات هوا ندارد. بنابراین، قبل از آن که ذرات هوا متوجه رسیدن هواپیما بشوند، با بال هواپیما برخورد خواهند کرد. توجه به این نکته مهم است که تعدادی از اتم ها در نزدیکی بال، روی آن انباشته می شوند. پس از گذشت مدت زمان معینی، اندازه اتم های انباشته روی بال به اندازه ای زیاد می گردد که موج ضربه ای شکل می گیرد و اندازه فشار در نزدیکی بال به شدت افزایش می یابد.
موج ضربه ای نقطه ای است که در آن، ناگهان اتم های زیادی روی یکدیگر انباشته می شوند. اندازه سرعت، عقب تر از موج ضربه ای، کمتر از سرعت صوت است. اگر هواپیما با سرعت یک ماخ (سرعت صوت) حرکت کند، تمام اتم ها، سرعت خود را از یک ماخ در جلوی موج ضربه ای به کمتر از یک ماخ در پشت آن، تغییر می دهند. موج ضربه ای، سرعت اتم ها را تغییر می دهد و آن را به سرعت هواپیما نزدیک می نماید.
دیوار صوتی چگونه شکسته می گردد؟
سرعت همیشه موضوع جذابی برای انسان بوده و همیشه راه های مختلفی را برای افزایش سرعت وسایل مختلف، مانند اتومبیل و هواپیما، امتحان نموده است. شکستن دیوار صوتی در سال 1947 میلادی، یکی از بزرگ ترین دستاورد های انسان بود. پس از پرواز اولین هواپیما در آسمان، خلبان ها در کوشش برای افزایش هر چه بیشتر سرعت هواپیما ها بودند. اما هرچه سرعت هواپیما بیشتر گردد، حرکت هواپیما نامنظم تر و نیروی وارد شده بر آن بیشتر خواهد بود. بنابراین، افزایش سرعت هواپیما به بیش از سرعتی معین، بسیار خطرناک و با ریسک بسیار زیادی همراه بود. این مشکل چگونه حل شد؟
چاک ییگر، اولین خلبانی که دیوار صوتی را شکست
خلبانان سعی کردند با انجام شیرجه های خطرناک در سرعت های بسیار زیاد بر مشکل غلبه نمایند. اما نتایج به دست آمده بسیار ناگوار بودند. خاتمه در سال 1947 میلادی، طراحان هواپیما قسمتی به نام تثبیت نماینده افقی متحرک را به هواپیما اضافه و رویای افزایش سرعت هواپیما تا سرعتی برابر سرعت صوت را به واقعیت نزدیک کردند. در 17 اکتبر همان سال، چاک ییگر، خلبان نیروی هوایی آمریکا، با هواپیمای x-1، برای نخستین بار، دیوار صوتی را شکست.
پس از آن و با طراحی های پیشرفته تر، سرعت هواپیما های فراصوت حتی به بیش از سه برابر سرعت صوت رسید. سرعتی که در آن دیوار صوتی شکسته می گردد به عوامل زیادی، مانند آب وهوا و ارتفاع از سطح زمین، بستگی دارد. در حالت کلی، اندازه این سرعت در حدود 1239 کیلومتر بر ساعت است.
هنگامی که هواپیمایی با سرعتی فراتر از سرعت صوت حرکت می نماید، موج ضربه ای همراه با صدای بسیار بلند ایجاد می نماید که به آن ترکش هوایی یا انفجار صوتی (Sonic boom) گفته می گردد. ترکش هوایی می تواند اثر سوء بر انسان ها و حیوانات داشته باشد. بعلاوه، ممکن است به ساختمان های اطراف آسیب برساند.
چه اتفاقی هنگام شکستن دیوار صوتی رخ می دهد؟
هواپیما به هنگام پرواز در آسمان، صدا دارد و اغلب صدای آن قبل از رسیدن هواپیما به مکانی که در آن هستید، به شما می رسد. این حالت هنگامی رخ می دهد که هواپیما با سرعتی کمتر از سرعت صوت حرکت می نماید. اگر سرعت هواپیما افزایش یابد و به نزدیکی سرعت صوت برسد، کمی دیرتر متوجه حضور هواپیما خواهید شد. به بیان دیگر، هنگامی متوجه حضور هواپیما می شوید که در فاصله نزدیک تری نسبت به شما، در مقایسه با حالت قبل، قرار گرفته باشد. هرچه سرعت هواپیما به سرعت صوت نزدیک تر گردد، فاصله آن تا امواج صوتی کمتر می گردد.
هواپیمای مافوق صوت به هنگام عبور از هر نقطه ای در آسمان، فشار را در آنجا به طور ناگهانی افزایش می دهد و صدایی شبیه انفجار شنیده می گردد. به این صدا، انفجار صوتی می گوییم. اگر هواپیما با سرعتی فراتر از سرعت صوت حرکت کند، انفجار صوتی ایجاد می گردد. سوالی که ممکن است مطرح گردد این است که انفجار صوتی چیست و چه چیزی آن را ایجاد می نماید یا قرار گرفتن در مسیر انفجار صوتی، چه خطراتی در پی دارد.
برای آن که درک بهتری از انفجار صوتی داشته باشیم، باید بدانیم که هوا، سیال است. قایق به هنگام حرکت در آب، موج هایی در سطح آن فراوری می نماید. این موج ها در جلوی قایق و به سمت جلو، منتشر می شوند. حالت مشابهی به هنگام حرکت هواپیما در آسمان رخ می دهد. هنگامی که هواپیمایی در آسمان حرکت می نماید، موج هایی کروی ایجاد می گردد.
اگر هواپیما سریع تر از سرعت صوت حرکت کند، صدای آن را نمی شنویم، تا هنگامی که از بالای سرمان در آسمان عبور کند. چرا؟ حرکت هواپیما سریع تر از سرعت صوت، بدان معناست که هواپیما سریع تر از امواج صوتی که ایجاد می نماید، حرکت خواهد نمود. در این حالت، فشار بین جلو و انتهای هواپیما به طور ناگهانی تغییر می نماید. این تغییر ناگهانی در فشار، منجر به ایجاد موج ضربه ای یا انفجار صوتی می گردد.
به این نکته توجه داشته باشید که انفجار صوتی، تنها در یک نقطه ایجاد نمی گردد، بلکه به شکل مخروطی به نام مخروط ماخ است. هر چیزی که در محدود مخروط ماخ قرار داشته باشد، انفجار صوتی هواپیمای فراصوت را احساس خواهد نمود. انفجار صوتی، صدای موتور هواپیما نیست، بلکه رهایی شدیدِ فشار، بین موج ضربه ای ایجاد شده در جلوی هواپیما و هوای اطراف آن است.
عوامل موثر بر انفجار صوتی
سوالی که ممکن است مطرح گردد آن است که اندازه و فاصله انفجار صوتی به چه عواملی بستگی دارد. وزن، اندازه و شکل هواپیما از جمله فاکتور های تاثیرگذار بر شدت انفجار صوتی هستند. بعلاوه، سرعت هواپیما، ارتفاع و مسیر پرواز آن نیز بر شکل مخروط ماخ، تاثیر می گذارند. هواپیمای سنگین تر و بزرگ تر، در مقایسه با هواپیمای کوچک تر و سبک تر، هوای بیشتری را جابجا می نماید. بنابراین، انفجار هواپیمای بزرگ تر، بسیار قوی تر و بلندتر است. به بیان دیگر، هرچه اندازه هوای جابجا شده بیشتر باشد، انفجار صوتی بزرگ تر و قوی تر خواهد بود. بعلاوه، هرچه هواپیما در ارتفاع بلندتری پرواز کند، مساحت مخروط ماخ بیشتر خواهد بود. زیرا، موج ضربه ای برای رسیدن به سطح زمین باید مسافت بیشتری را طی کند.
توجه به این نکته مهم است که ارتفاع بر سرعت صوت، تاثیر می گذارد. سرعت صوت در سطح دریا برابر 1224 کیلومتر بر ساعت است. بنابراین، اگر سرعت جسمی سریع تر از این اندازه باشد، دیوار صوتی را خواهد شکست. هرچه ارتفاع از سطح دریا بیشتر گردد، سرعت صوت کاهش می یابد. به عنوان مثال، سرعت صوت در ارتفاع 16 کیلومتری از سطح دریا برابر 1062 کیلومتر بر ساعت است.
اگر جسمی سریع تر از سرعت صوت حرکت کند، دو انفجار صوتی ایجاد می گردد. زیرا، دو تغییر فشار در هوا رخ می دهد. یکی در اطراف دماغه هواپیما و دیگری در اطراف دم آن. قدرت دو انفجار صوتی ایجاد شده به طور تقریبی با یکدیگر برابر هستند و زمان بین آن ها به بزرگی هواپیما بستگی دارد. هرچه هواپیما بزرگ تر و سنگین تر باشد، زمان بین دو انفجار صوتی، بیشتر خواهد بود. در مقابل، هرچه هواپیما کوچک تر و سبک تر باشد، زمان بین دو انفجار صوت بسیار کوتاه تر است، به گونه ای که ممکن است یک انفجار به نظر برسند.
شکستن دیوار صوتی زیر آب
تا به امروز در خصوص شکستن دیوار صوتی در هوا صحبت کردیم. سوالی که ممکن است مطرح گردد این است که آیا تنها می توان دیوار صوتی را در هوا شکست؟ در خصوص شکستن دیوار صوتی زیر آب، چه نظری دارید؟ تا به امروز کسی دیوار صوتی را زیر آب نشکسته است. شاید علت خوبی برای این موضوع وجود داشته باشد. مقاومت آب به شدت بزرگ تر از مقاومت هوا است، بنابراین حرکت با سرعت زیاد در آب بسیار سخت تر از حرکت با سرعت زیاد در هوا است.
بعلاوه سرعت صوت در آب در حدود 4 برابر سرعت آن در هوا است. برای شکستن دیوار صوتی در هوا باید با سرعتی بیشتر از 1234 کیلومتر بر ساعت حرکت کنیم. اما برای شکستن دیوار صوتی در زیر آب، سرعتی بیشتر از 5331 کیلومتر بر ساعت احتیاج است.
آیا انفجار صوتی دیده می گردد؟
ثبت انفجار صوتی تنها با یک کلیک، به رویای عکاسان حرفه ای تبدیل شده است. اما به صورت تکنیکی، انفجار صوتی بدون استفاده از تکنولوژی تصویربرداری ویژه، امکان پذیر نیست. خاتمه، سازمان فضایی آمریکا، ناسا، پس از یک دهه پژوهش توانست برای نخستین بار در سال 2019 میلادی، تصویری از امواج ضربه ای فراصوت ثبت کند.
آیا شکستن دیوار صوتی با ماشین امکان پذیر است؟
در 15 اکتبر سال 1997 میلادی، اندی گرین (Andy Green) با اتومبیلی به نام Thrust SSC برای نخستین بار توانست به سرعت 1228 کیلومتر بر ساعت برسد و دیوار صوتی را روی زمین بشکند. تا امروز، این رکورد به وسیله هیچ کس شکسته نشده است. بعلاوه، برای آن که اتومبیل متوقف گردد، در انتهای آن چتر نجات بسته شده بود.
منبع: روزیاتو
منبع: فرادید