Звуковий удар
Увага: Через позицію правовласника щодо вмісту дане відео українською було видалене з Ютуб каналу "Цікава наука". Ви зможете знайти його на Толоці.
Упродовж століть люди були зачаровані швидкістю.
Людський прогрес відбувається с постійно зростаючою швидкістю.
І одним з найважливіших досягнень в цій історичній гонці було подолання звукового бар’єра.
Невдовзі після перших успішних польотів льотчики намагалися розігнати свої літаки до все більшої й більшої швидкості.
Але це призводило до зростання турбулентності, а також сил опору, що заважали подальшому прискоренню.
Хтось намагався обійти цю проблему шляхом виконання небезпечних маневрів, що часто закінчувалося трагічно.
Нарешті в 1947 році такі конструктивні поліпшення, як рухомий горизонтальний стабілізатор і суцільно поворотний хвіст дозволили військовому пілоту США Чаку Єгеру рухатися на літаку Белл-Х1 зі швидкістю 1127 кілометрів на годину.
Він став першим, хто подолав звуковий бар’єр і рухався швидше ніж звук.
Белл-Х1 був першим з багатьох надзвукових літальних апаратів.
Апарати більш пізніх конструкцій досягли швидкості з числом Маха більше трьох.
Рухаючись із надзвуковою швидкістю літак створює ударну хвилю з громоподібним гуркотом, відомим як звуковий удар, який здатний завдати шкоди людям і тваринам, і навіть пошкодити будівлі.
З тієї причини вчені з усього світу вивчали звукові удари, намагаючись передбачити їхній шлях в атмосфері, місце їхнього приземлення і гучність.
Щоб краще зрозуміти, як вчені це роблять, давайте спочатку з’ясуємо, що таке звук.
Уявіть, що ви кидаєте камінь у тихий ставок.
Що ви бачите?
Камінь створює хвилі, які поширюються по воді зі швидкістю, однаковою у всіх напрямках.
Ці кола, радіус яких зростає, називаються фронтами хвилі.
І точно так само, хоча ми не можемо бачити, нерухоме джерело звуку, як от домашня аудіосистема, створює звукову хвилю, що розходяться в повітрі.
Швидкість хвиль залежить від таких чинників, як висота і температура повітря, в якому вони поширюються.
На рівні моря швидкість звуку в повітрі становить приблизно 1225 кілометрів на годину.
Але, на відміну від кіл на двовимірній поверхні, хвильові фронти в цьому випадку концентричні сфери й звук поширюється уздовж променів, перпендикулярних цим сферам.
Тепер уявимо рухоме джерело звуку, наприклад, гудок поїзда.
Коли джерело рухається в певному напрямку, послідовні хвилі перед ним стануть ближчими, тобто ущільняться.
Це збільшення частоти хвилі є проявом відомого ефекту Доплера — коли звук від об’єктів, що наближаються, стає вищим.
Але, доки джерело звуку рухається повільніше, ніж самі звукові хвилі, вони залишаються вкладеними одна в одну.
Коли ж об’єкт виходить на надзвукову швидкість, тобто починає рухатися швидше аніж створюваний ним звук, картина різко змінюється.
Як тільки об’єкт обганяє випущені ним звукові хвилі, одночасно створюючи нові с поточного положення, вони локалізуються разом, утворюючи конус Маха.
Спостерігач не чує звук, доки конус наближається до нього, оскільки об’єкт рухається швидше, ніж звук, створюваний ним.
Лише коли об’єкт пролетить повз, спостерігач почує звуковий удар.
Лінія перетину конуса Маха з землею утворює гіперболу, яка рухаючись вперед, залишає слід, відомий як звуковий килим.
Це дозволяє визначити область, що піддалась звуковому удару.
А як з’ясувати, наскільки сильним був звуковий удар?
Для цього потрібно розв’язати відомі рівняння Нав’є-Стокса, щоб знайти зміну тиску в повітрі, зумовлене рухом у нього літака з надзвуковою швидкістю.
В результаті отримують профіль тиску, відомий як Н-хвиля.
Що означає така форма?
Звуковий удар виникає при раптовій зміні тиску і Н-хвиля містить у собі два удари.
Перший - через збільшений тиск у носовій частині літака, а другий — пов’язаний зі швидким поверненням тиску до нормального значення у хвостовій частині.
Це призводить до подвійного удару, але людське вухо зазвичай сприймає їх як один.
На практиці, комп’ютерні моделі, що використовують ці принципи, часто можуть передбачити місце появи, та інтенсивність звукових ударів для заданих атмосферних умов і траєкторії польоту.
Також ведуться пошуки способів зменшення їхніх наслідків.
А тим часом надзвукові польоти над поверхнею землі залишаються під забороною.
То чи є звукові удари чимось нещодавно створеним?
Не зовсім.
Поки ми шукаємо способи знизити їхню інтенсивність, деякі тварини використовують звукові удари собі на користь.
Величезний диплодок, ймовірно, міг клацати своїм хвостом швидше ніж звук, можливо для відлякування хижаків.
Деякі види креветок теж можуть створювати схожу ударну хвилю під водою, приголомшуючи, або навіть вбиваючи жертву на відстані швидким клацанням своєї величезної клешні.
Тож, у той час, як ми, люди, зробили великий прогрес в нашій невтомній гонитві за швидкістю, природа, виявляється, була першою.
