شکستن ديوار صوتي يعني چه؟

[FATIMA]

براي توضيح درباره آنچه هنگام شکستن ديوار صوتي روي مي دهد ، ابتدا بايد به صوت به چشم موجي با سرعت انتشار محدود نگاه کرد.همه شما با اثرات ناشي از محدود و نسبتا کم بودن سرعت صوت آشنايي داريد؛ بازتاب صدا در کوه ، تاخير زماني در شنيدن صداي بلندگوهايي که يک چيز را پخش مي کنند و شنيدن صداي رعد پس از ديدن برق . در سطح دريا و دماي 22درجه ، امواج صوتي با سرعت 345متر بر ثانيه يا 1240کيلومتر در ساعت منتشر مي شوند. هر چه دما و فشار کاهش يابد، سرعت صوت کم مي شود، به طوري که براي هواپيمايي در ارتفاع 35هزار پايي - جايي که دما 54- درجه است سرعت صوت به 295متر در ثانيه يا 1060کيلومتر در ساعت مي رسد. حالا يک منبع صوتي را تصور کنيد که يک پالس در ثانيه در فضا پخش مي کند. اين پالسها را مي توان به صورت پوسته هاي کروي از هواي پرفشار که با سرعت صوت بزرگ مي شوند و صوت را منتشر مي کنند تصور کرد (درست مانند دايره هاي ايجاد شده در سطح آب پس از پرتاب يک سنگ) به اين کره ها جبهه هاي موج مي گوييم . اگر چشمه ساکن باشد ، اين کره ها، مانند دايره هاي آب هم مرکز خواهند بود ؛ اما اگر منبع شروع به حرکت کند، اين کره ها را در جهت حرکتش جابه جا خواهد کرد. به طوري که فاصله کره ها از هم در يک طرف (در جهت حرکت) کمتر و در طرف مقابل بيشتر خواهد شد. (با رسم شکل اين مطلب را خواهيد ديد). مقدار اين جابه جايي بستگي به سرعت منبع نسبت به سرعت انتشار صوت دارد. هر چه سرعت منبع بيشتر باشد، به جبهه هاي موجي که در هر لحظه توليد مي کند، نزديکتر شده و بنابراين فاصله جبهه ها در مقابل منبع کمتر و کمتر مي شود، تا اين که در سرعت صوت ، منبع به موج صوتي خود مي رسد و با آن حرکت مي کند. به طوري که جبهه هاي کروي امواج توليد شده همگي مقابل منبع انباشته مي شوند. (مثل حلقه هاي تودرتو با شعاعهاي مختلف که در يک نقطه بر هم مماسند). از نظر فيزيکي جبهه هاي موج نشاندهنده تغييرات فشار هوا هستند و همين تغييرات فشار است که گوش ما آن را به صورت صدا مي شنود.

حالا تصور کنيد همه اين جبهه هاي موج پرفشار جلوي يک هواپيما که با سرعتي در آستانه سرعت صوت حرکت مي کند جمع شود. در اين صورت جبهه ها همديگر را تقويت مي کنند و يک موج فشار با دامنه بسيار زياد تشکيل مي دهند. اين موج ، نيروي مقاومت هوا را زياد مي کند و باعث کاهش نيروي بالابر و دشواري کنترل هواپيما مي شود. وقتي سرعت هواپيما با افزايش توان از سرعت صوت پيشي مي گيرد، از اين سد و ديوار صوتي عبور مي کند و به اصطلاح ديوار صوتي را مي شکند. در اين حالت موج ، دامنه تشکيل شده که به آن shock wave گفته مي شود در هوا منتشر مي شود و به زمين مي رسد. شدت موج رسيده به زمين به ارتفاع هواپيما و اندازه آن بستگي دارد. اگر هواپيما به قدر کافي به زمين نزديک باشد موج فشار مي تواند آنقدر قوي باشد که باعث شکستن شيشه ها، تخريب ساختمان هاي سست و يا کاهش شنوايي افراد شود. شکستن ديوار صوتي يا گذشتن از سرعت صوت ، اولين بار در 14اکتبر 1947 و به وسيله چاک بيگر، خلبان نيروي هوايي امريکا با هواپيماي -X1 که به همين منظور ساخته شده بود اتفاق افتاد. امروزه بيشتر هواپيماهاي جنگنده براحتي از سرعت صوت مي گذرند، به طوري که سرعت بعضي مانند SR71 به 3600کيلومتر در ساعت 3برابر سرعت صوت مي رسد. اما تصوير بالا به شما امکان مي دهد که اين پديده صوتي را ببينيد! اين تصوير که به وسيله جان گي در جولاي 1999 گرفته شده است ، يک فروند هواپيماي F18 هورنت را در حال عبور از ديوار صوتي بر فراز اقيانوس آرام نشان مي دهد. اشتباه نکنيد. ابرسفيد رنگ صدا نيست . در اطراف بالهاي هواپيما بخصوص در شرايط پرواز صوتي ، مناطق کم فشار فراواني ايجاد مي شود. اگر هوا بخار آب زياد داشته باشد، فشار هواي پايين ، آب موجود در هوا را متراکم مي کند و باعث ايجاد ابري از بخار در اطراف آن مي شود. وقتي هواپيما از ديوار صوتي عبور مي کند، هوا به طور موضعي با shock wave آشفته و بخار ناپديد مي شود. جان گي عکس را در لحظه اي که صداي غرش را شنيد ، درست پيش از ناپديدشدن ابر ، گرفته است .

--------------------------------------------------------------------------------

[omarekhayam]

در اعصار آغازین دوران هوانوردی ابتدایی ، هواپیماها بیشتر با سرعتهای بسیار پایین نسبت به هواپیماهای امروزی پرواز می‌کردند که حتی به بیشتر از 300 کیلومتر در ساعت نمی‌رسید؛ در حالی که چنین سرعتی ، سرعت مطلوب برای تیک آف یا برخاست یک هواپیمای جنگنده امروزی است و رسیدن به چنین سرعتی ، ابداً مستلزم تلاش بسیار و فشار آوردن بیش از حد به موتور نمی‌باشد. اما رفته رفته ، سرعت هواپیماها حتی با موتورهای پیستونی گاها بالای 650 کیلومتر بر ساعت رسیده و از آن زمان بود که دانشمندان علوم آیرودینامیک دریافتند که با افزایش سرعت ، به تدریج میزان پسا افزایش پیدا کرده و در سرعت معینی ، دیگر هواپیما قادر به سرعت گرفتن نبوده گاه نیز استال می‌شوند. در آن زمان ، علت این موضوع بدین گونه بیان شد که با افزایش سرعت ، به تدریج سرعت گردش انتها یا نوک پره‌های پروانه موتور ، به سرعت صوت نزدیک شده و سرانجام در حداکثر سرعت یک هواپیمای پیستونی که حدود 950 کیلومتر می‌باشد، سرعت انتهای پره‌ها از سرعت صوت گذشته و پسا یا درگ بسیاری ایجاد می‌شود که خود مانع سرعت گرفتن بیشتر هواپیماست. در چنین سرعتهایی ، پروانه موتور هواپیماهای پیستونی ، نه تنها تراست یا نیروی کشش تولید نمی‌کند، بلکه در اثر سرعت بسیار زیاد ، تبدیل به یک دیسک یا دایره توپر چرخنده می‌شود که جز ایجاد درگ و پسا ، کار دیگری انجام نمی‌دهد.

آیرودینامیستهای آن زمان این حد را یک محدوده سرعت یا همان دیوار صوتی در نظر گرفته و بسیاری از آنان نیز بر این عقیده بودند که گذشتن از دیوار صوتی و پشت سر گذاشتن آن ، کاری غیر ممکن است؛ اما با ورود به عصر جت و پیشرفت علم آیرودینامیک ، این کار برای جنگنده‌های امروزی کاری بس سهل و آسان است.

اولین بار خلبانی آمریکایی به نام چاک ییگر ، با انجام اصلاحاتی بر روی یک بمب افکن قدیمی آن را به چهار موتور موشکی مجهز کرده و بر فراز بیایانی در آمریکا ، پس از جدا شدن از هواپیمای مادر، به پرواز در آورد. پس چند ثانیه پرواز هواپیمای پرتقالی رنگ ملقب به X-1 به صورت گلاید، خلبان چهار موتور موشکی خود را روشن کرده و پس از چند لحظه صدایی رعد آسا در آسمان شنیده شد که همان نتیجه شکستن دیوار صوتی برای اولین بار در جهان بود. در این آزمایش ، این هواپیما به سرعت 16/1 ماخ دست یافت، و با ورود به عصر جت ، رویای شکستن دیوار صوتی وپاگذاشتن به سرعت صوت نیزبه واقعیتی بسیارقابل لمس مبدل گشتخصوصیات صوت و دیوار صوتی چیست و چرا گذر از آن نیازمند قدرت و کشش و توانایی زیادی است. صوت ، در شرایط عادی (دما ، فشار و ... معمولی) در سطح دریا دارای سرعتی معادل 332 متر بر ثانیه یا 1,195 کیلومتر بر ساعت می‌باشد که این سرعت ، با افزایش ارتفاع و کاهش فشار و تراکم هوا ، کاهش یافته و در ارتفاعات بالاتر ، صوت فواصل را با سرعت کمتری می‌پیماید. این مسئله بدین صورت است که صوت از طریق ضربات ملکولهای هوا به یکدیگر و انتقال انرژی آنها فضا را طی می‌کند و هر چه تعداد مولکولها در یک حجم معین بیشتر باشند، انتقال انرژی زودتر صورت پذیرفته و صوت با سرعت بیشتری انتقال می‌یابد؛ چنانکه سرعت صوت در مایعات بیشتر از هوا و در جامدات بسیار بیشتر از مایعات و هوا و معادل 6000 کیلومتر بر ساعت است.

پس در نتیجه افزایش ارتفاع ، تعداد ملکولها در یک حجم معین کاهش یافته و صوت با سرعت کمتری فضا را می‌پیماید. دیوار صوتی ، شیئی فیزیکی و قابل روئیت نیست؛ بلکه به دلیل اینکه گذشتن از سرعت صوت نیازمند توان بسیار بالای موتور و آیرودینامیک بسیار خوب می‌باشد، این حد را یک مانع برای رسیدن به سرعتهای بالاتر دانسته و از آن به نام دیوار صوتی یاد می‌کنند. عدد ماخ ، در حقیقت همان نسبت سرعت شیء پرنده یا همان هواپیما به سرعت صوت محیط است که به احترام دانشمندی آلمانی که برای اولین بار چنین مقیاسی را در نظر گرفت، آن را «ماخ» نام نهادند. پس عدد ماخ ، کمیتی متغیر است و بسته به خصوصیات هوا مانند دما و فشار ، تغییر کرده و کاهش یا افزایش می‌یابد. تن دیوار صوتی و پا گذاشتن به سرعت صوت نیز به واقعیتی بسیار قابل لمس مبدل گشت--

[COSMOLOGIST]

متشكر از FATIMA SH و aboreyhanbironee