Люди всегда стремились к скорости, она манила их во все времена. С течением эпох, история человечества неизменно связана с желанием ускорять темпы жизни. И вот, в этом неутомимом стремлении к быстроте, выделяется один момент — преодоление звукового барьера.
С момента, когда первые самолёты поднялись в небеса, пилоты начали испытывать неудержимое желание разгонять свои летательные аппараты до невообразимых скоростей. Но по мере увеличения темпа, она стали сталкиваться с трудностями: возросшая турбулентность и сила, приложенная к самолету, ограничивали возможности для дальнейшего ускорения. Риск и желание покорить небо порой приводили к грустным исходам.
И, тем не менее, в 1947 году, произошло настоящее чудо. Благодаря нескольким инновациям в дизайне — подвижному горизонтальному стабилизатору и подвижному хвосту — Чак Йегер, американский военный пилот, смог ускориться до 1127 км/ч на борту самолёта Bell X-1. Так он стал первым человеком, преодолевшим звуковой барьер.
Bell X-1 лишь открыл путь для будущих сверхзвуковых самолётов. Новые модели способны были развивать скорость, превышающую скорость звука в три раза. Однако, их движение сопровождалось мощным звуковым ударом, похожим на гром, что не оставалось незамеченным для людей и животных на земле и могло причинять вред зданиям. Именно по этой причине учёные всего мира обратили своё внимание на изучение звуковых волн, пытаясь просчитать их движение в атмосфере, места «посадки» и интенсивность звука.
Для глубокого понимания того, как ученые изучают сверхзвуковые ударные волны, стоит начать с основных принципов звука. Представьте, что вы кидаете камешек в безмолвное озеро. Камень создает волны, равномерно расходящиеся во всех направлениях. Эти круговые волны, увеличивающие свой радиус, называют волновыми фронтами.
Аналогично волнам на воде, источник звука, например, домашняя аудиосистема, создает звуковые волны, которые распространяются наружу. Скорость этих волн изменяется в зависимости от условий: высоты и температуры воздуха.
Теперь вместо кругов на плоскости, представьте себе волновые фронты в форме сфер, с звуковыми лучами, распространяющимися перпендикулярно этим сферам. И теперь, представим движущийся источник звука, например, музыкальную машину. По мере ее движения вперед, волны, идущие от нее, сжимаются, создавая эффект увеличения частоты, что мы знаем как эффект Допплера, при котором звук приближающегося объекта воспринимается выше.
Но интересное происходит, когда объект начинает двигаться со сверхзвуковой скоростью. В этом случае объект двигается быстрее, чем распространяется его звук. В этом случае он, как бы, опережает свои собственные звуковые волны, заставляя их сжиматься и формировать так называемый конус Маха. И вот здесь на сцену выходит сверхзвуковой бум: он не слышен, когда объект приближается, потому что сам объект двигается быстрее своего звука.
Звуковой взрыв становится слышимым для слушателя лишь после прохождения объекта. Когда конус Маха достигает земли, он формирует гиперболу, оставляя по мере движения так называемый "ковер взрывов". Это дает возможность вычислить зону, подверженную воздействию звукового взрыва.
Как определить мощность звукового взрыва? Этот процесс включает в себя решение сложных уравнений Навье-Стокса для определения изменений в давлении воздуха, вызванных пролетающим сверхзвуковым самолетом. В результате мы получаем так называемую N-волну, которая фиксирует сигнатуру давления. Что означает эта форма? Взрыв звука происходит из-за внезапных изменений в давлении. При этом N-волна включает два взрыва: первый — при резком увеличении давления у носа самолета, второй — когда проходит хвост самолета и давление резко возвращается к нормальному уровню. На слух это воспринимается как единый двойной взрыв.
Современные технологии и компьютерные модели позволяют с достаточной точностью предсказать локацию и силу звукового взрыва в зависимости от атмосферных условий и траектории полета самолета. Исследователи постоянно работают над минимизацией негативного воздействия звуковых взрывов.
В наши дни сверхзвуковые полеты над сушей все еще остаются под запретом. Но стоит ли считать звуковые взрывы чем-то уникально современным и искусственным? Отнюдь. В то время как ученые и инженеры ищут способы уменьшить интенсивность звуковых взрывов, окружающий мир давно использует эти эффекты в своих целях.
К примеру, гигантский динозавр диплодок, возможно, мог взмахивать своим могучим хвостом со скоростью, превышающей 1200 км/ч, создавая подобие звукового взрыва. Это было бы эффективным средством для отпугивания хищников, подстерегавших его.
Кроме того, некоторые виды креветок обладают удивительной способностью создавать под водой шоковые волны, аналогичные звуковым взрывам. Они делают это с помощью своих мощных клешней, создавая взрыв, который может оглушить или даже убить добычу на расстоянии.
Таким образом, несмотря на все наши технологические достижения и стремление к скорости, природа опередила нас, применяя механизм звуковых взрывов задолго до появления первых самолетов.
Спасибо за внимание к нашему материалу! Если вас увлекли тайны сверхзвуковых скоростей и звуковых взрывов, подписывайтесь на наш канал, чтобы не пропустить новые публикации. Мы рады делиться с вами знаниями и ждем вас среди наших подписчиков! До новых встреч!
