Казалось бы, скорость звука - это огромная величина. При сопоставлении с разными привычными для нас повседневными процессами, она кажется просто непреодолимым барьером. Используется сопоставление со скоростью звука и при оценке скорости летательных аппаратов. Все ведь слышали про сверхзвуковые самолеты.
Но оказывается, скорость эта хоть и огромная и способ преодоления такого барьера плохо укладывается в нашей голове, превысить её может даже самый обычный кнут, который используют пастухи.
В общем-то, скорость звука в воздухе не столь и высока. Это всего лишь 300 м/с плюс-минус (в зависимости от температуры и прочих условий). Но мы уже привыкли к тому факту, что скорость звука - величина огромная. И уж тем более не ожидаешь, что скорость звука превысит кнут! Почему бы машинам скорость звука не превышать :)...
Об этом явлении можно встретить многократные упоминания в научно-популярных статьях и текстах про интересные явления физики. Вот только механизм процесса там не расписывается. Ведь если сверхзвуковой самолет имеет столь сложную конструкцию, то, наверное и кнут для преодоления звукового барьера должен обладать не менее навороченной логикой работы и быть чем-то типа меча джедая. Однако, на практике кнут и остаётся всего лишь кнутом. Как же он это делает? И почему тогда палка не может превысить скорость звука при своем движении?
Начнем разбираться издалека. Что такое звук?
Это колебание упругой среды или перенос энергии без переноса вещества. Кнут является отличным примером передачи энергии без передачи того самого вещества! Это самая настоящая синусоида.
Энергия передается вдоль всей длины кнута и на его конце переходит в колебание упругой среды, то есть воздуха. Щелчок, который мы слышим - это удар кончика кнута по воздуха. Превращение одного вида энергии в другой, если угодно. При этом движение кончика кнута столь быстрое, что он перемещается со скоростью, превышающей скорость распространения звуковой волны в воздухе.
Такой физический процесс возможен благодаря тому, что кнут имеет специфическую конструкцию. Поперечное сечение и масса кнута постепенно уменьшается в направлении от ручки к кончику, а пропорциональная массе энергия движения волны должна оставаться постоянной по закону сохранения энергии.
Уменьшение массы среды (то есть самого кнута) при сохранении постоянной энергии в этой среде приведет к тому, что скорость кончика кнута будет ускоряться пропорционально его утонению. К кончику кнута эта скорость будет столь высока, что превысит скорость звука. Ну а щелчок, который мы услышим - это передача удара от кончика кнута воздушной среде. Изначально она тоже превысит скорость звука, но потом свойства среды выровнят этот процесс и вернут в рамки.
Подобный эффект наблюдается и при переходе самолёта при движении на обычной скорости до сверхзвуковой скорости. Там тоже есть характерный хлопок.
Подписывайтесь на наш проект, комментируйте и ставьте лайки ;) Не забывайте про наш телеграмм!