دیوار صوتی چگونه شکسته می شود؟

سرعت صوت، مقدار مسافتی است که صوت در یک مدت زمان معین طی می کند. برای مثال، سرعت صوت در سطح دریا و دمای 22 درجه تقریباً 345 متر در ثانیه (معادل 1240 کیلومتر بر ساعت) است. سرعت صوت بسته به میزان فشار هوا یا در حقیقت ارتفاع متغیر است.

نکته: نسبت سرعت هوا یا هواپیما به سرعت صوت در یک ارتفاع معین را ماخ (Mach) می گویند.

در حدود سرعت صوت، به دلیل فشردگی بیش از حد هوا در مقابل لبه جلویی بال هواپیما، نیروی برآ هواپیما به شدت کاهش پیدا کرده و بالعکس نیروی مقاوم پسا به شدت افزایش پیدا می کند؛ تا جایی که بسیاری از دانشمندان در زمان های گذشته عقیده داشتند که عبور از چنین سرعتی برای اجسام پرنده ساخت دست انسان غیر ممکن خواهد بود. به همین دلیل این حد را دیوار صوتی نامیده بودند و گذشتن از آن را غیر ممکن می دانستند، اما با ورود موتورهای جت به عرصه هوانوردی، رویای گذشتن از دیوار صوتی رنگ واقعیت به خود گرفت.

در این مقاله شما می توانید با شکستن دیوار صوتی آشنا شوید.

یک منبع صوتی را تصور کنید که یک پالس در ثانیه در فضا پخش می کند. این پالس ها را می توان به صورت پوسته های کروی از هوای پُر فشار تصور کرد که با سرعت صوت بزرگ می شوند و صوت را منتشر می کنند (درست مانند دایره های ایجاد شده در سطح آب پس از پرتاب یک سنگ).

به این کُره ها، جبهه های موج می گوییم. اگر چشمه ساکن باشد، جبهه های موج مانند دایره های آب هم مرکز خواهند بود؛ اما اگر منبع شروع به حرکت کند، جبهه های موج نیز در جهت حرکت منبع جابجا خواهند شد. بطوریکه فاصله جبهه های موج از هم در یک طرف (در جهت حرکت) کمتر و در طرف مقابل بیشتر می شود. مقدار این جابجایی نیز بستگی به سرعت منبع نسبت به سرعت انتشار صوت دارد. هرچه سرعت منبع بیشتر باشد، به جبهه های موجی که در هر لحظه تولید می کند، نزدیک تر شده و بنابراین فاصله جبهه ها در مقابل منبع کمتر و کمتر می شود تا اینکه در سرعت صوت، منبع به موج صوتی خود می رسد و با آن حرکت می کند. در این حالت جبهه های کروی امواج تولید شده همگی مقابل منبع انباشته می شوند.

از نظر فیزیکی جبهه های موج، نشان دهنده تغییرات فشار هوا هستند و همین تغییرات فشار است که گوش ما آن را به صورت صدا می شنود.

حالا تصور کنید همه این جبهه های موج پُر فشار جلوی یک هواپیما که با سرعتی در آستانه سرعت صوت حرکت می کند، جمع شود. در این صورت جبهه ها همدیگر را تقویت می کنند و یک موج پُر فشار با دامنه بسیار زیاد تشکیل می دهند. این موج، نیروی مقاومت هوا را زیاد می کند و باعث کاهش نیروی بالابر و دشواری کنترل هواپیما می شود. وقتی سرعت هواپیما با افزایش توان از سرعت صوت پیشی می گیرد، از این سد و دیوار صوتی عبور می کند و به اصطلاح دیوار صوتی را می شکند. در این حالت موج ضربه ای (Shockwave) به وجود آمده، در هوا منتشر می شود و به زمین می رسد.

شدت موج رسیده به زمین به ارتفاع هواپیما و اندازه آن بستگی دارد. اگر هواپیما به قدر کافی به زمین نزدیک باشد، این موج پُر فشار می تواند آنقدر قوی باشد که باعث شکستن شیشه ها، تخریب ساختمان های سست و یا کاهش شنوایی افراد شود.

شکستن دیوار صوتی با گذشتن از سرعت صوت، اولین بار در 14 اکتبر 1947 و بوسیله چاک ئیگر (Chuck Yeager) خلبان نیروی هوایی آمریکا با هواپیمای X-1 اتفاق افتاد. امروزه بیشتر هواپیماهای جنگنده به راحتی از سرعت صوت می گذرند، بطوریکه سرعت بعضی از آنها به 3600 کیلومتر در ساعت، یعنی 3 برابر صوت می رسد.

البته به دلیل تولید امواج ضربه ای در سرعت های نزدیک سرعت صوت، خلبانان سعی می کنند فقط مدت کوتاهی در چنین سرعت هایی پرواز کنند و به سرعت از دیوار صوتی بگذرند، چون پرواز در این سرعت ها باعث فشار بر موتور، افزایش میزان مصرف سوخت و حتی خطر از دست دادن کنترل هواپیما نیز می شود.

در پایان، مشاهده فیلم کوتاه زیر نیز خالی از لطف نخواهد بود!

منابع

مقاله علمی و آموزشی «دیوار صوتی چگونه شکسته می شود؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه علمی پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد.