آبان
۷
۱۳۹۳

دیوار صوتی چگونه می­ شکند؟

تاریخچه

برخی از شلاق‌های معمول، مانند شلاق چرمی قادر به حرکت سریع تر از صدا هستند. نوک شلاق دیوار صوتی را می‌شکند و باعث ایجاد صدای شکست تیزیمی‌شود، به معنی دیگر شکست صوت. سلاح­های گرم پس از قرن نوزدهم به طور کلی تا به حال بالای سرعت صوت کار کرده‌اند.

images (15)

عوامل موثر

سرعت صوت بسته به چگالی دما و رطوبت (در مورد هوا) متفاوت است. به طور مثال سرعت صوت در هوای ۲۰ درجه سانتی گراد ۱۲۲۴ کیلومتر بر ساعت، در آب معمولی ۵۳۷۵ کیلومتر بر ساعت و در الماس ۴۳۲۰۰ کیلومتر بر ساعت می‌باشد. واحد سرعت صوت ماخ نام دارد که معادل ۱۲۲۴ کیلومتر بر ساعت است و هر جسم که بخواهد دیوار صوتی را بشکند باید از این سرعت فراتر رود و استحکام کافی برای متلاشی نشدن را داشته باشد. اغلب جنگنده‌های امروزی و چند بمب افکن (مانند B-1) توانایی این کار را دارند.

تنها یک وسیله سرنشین دار روی زمین از این سرعت فراتر رفته که تراست اس‌اس‌سی نام دارد و محصول مشترک ایالات متحده امریکا و انگلستان است که با رانندگی اندی گرین (Andy green)  نام خود را برای همیشه ماندگار کرد.

مفهوم شکست دیوار صوتی

وقتی سرعت یک هواپیمای مافوق صوت از سرعت صوت بالاتر می رود، ناگهان از امواج صوتی خود سبقت می گیرد و آنها را به طرف یکدیگر می راند. در این هنگام صدایی ترقّه مانند به وجود می­آید که به آن شکست دیوار صوتی می­گویند.

شوک صوتی ناشی از حرکت یک هواپیمای مافوق صوت باعث متراکم شدن ذرّات آب در جوّ می­شود و مخلوطی مرئی از بخار آب ایجاد می­کند.

images (22)

عامل ایجاد دیوار صوتی

امواج ضربه‌ای یا Shockwaves در حقیقت همان عامل اصلی ایجاد دیوار صوتی هستند. امواج ضربه‌ای، تغییری ناگهانی در فشار و دمای یک لایه از هواست که می‌تواند به لایه‌های دیگر منتقل شده و به صورت یک موج فضا را بپیماید. برای درک بهتر مطلب، وقتی که سنگی در آب انداخته می‌شود، موجهایی در آب بوجود می‌آیند که به سمت خارج در حال حرکتند. این امواج، نتیجه افزایش سرعت یا اعمال نیرو به لایه‌ای از ملکولهای آب است که قادر به انتقال به لایه‌های دیگر نیز می‌باشد، و امواج ضربه‌ای نیز، همان امواج درون آب هستند، با این تفاوت که آنها در سیالی دیگر به جای آب به نام هوا، تشکیل می‌شوند.

در سرعتهای نزدیک سرعت صوت، فرضیه غیر قابل تراکم بودن هوا رد شده و ضریب تراکم هوا به ۱۶٪ در می‌رسد، که مقداری غیر قابل چشم پوشی است. در این سرعتها هوای جلوی بال یا لبه حمله به شدت متراکم گشته و دما و فشار آن به طرز قابل توجهی افزایش می‌یابد، همین مسأله، یکی از عوامل ایجاد امواج ضربه‌ای است. هواپیما با حرکت خود در هوا، نظم فشار هوای محیط را برهم می‌زند و همانند قایقی که در آب در حال حرکت است، امواجی از آن ساطع شده و به دلیل اینکه این امواج با سرعت صوت حرکت می‌کنند و هواپیما زیر سرعت صوت در حال سیر است، از آن دور می‌شوند.

اما کم‌کم، با نزدیک شدن به سرعتهای ترانسونیک و حدود سرعت صوت، این امواج فرصت دور شدن از هواپیما را نداشته و در جلوی بال متراکم می‌شوند. در مناطقی از بدنه هواپیما که سطوح ناموزونی نسبت به جهت حرکت هواپیما دارد، سرعت گذر هوا افزایش یافته و بر اساس اصل برنولی، با افزایش سرعت سیال، فشار آن کاهش می‌یابد. در چنین سرعتهایی، هوای اطراف این سطوح به سرعت صوت می‌رسد، گر چه هواپیما هنوز به سرعت صوت نرسیده باشد. در نتیجه رسیدن بعضی سطوح به سرعت صوت، امواج ضربه‌ای تولید شده و درگ یا پسای فراوانی را قبل از رسیدن به سرعت صوت تولید می‌کنند، که همین مسأله گذر از دیوار صوتی را مشکل می‌نماید.

صدای انفجار

امواج حاصله از حرکت هواپیما یا صدای تولید شده در اثر حرکت، هر بار در سرعتهای زیر سرعت صوت از هواپیما دور شده و به گوش شنونده می‌رسد. اما با رسیدن هواپیما به سرعت صوت، این صداها دیگر فرصت دور شدن از هواپیما را نداشته و کلاً در جلوی هواپیما جمع می‌شوند. با گذر از سرعت صوت، صدایی چند ده برابر شده از حرکت هواپیما باهم به گوش شنونده می‌رسد که مانند یک انفجار شدید یا صدای رعد و برقی بسیار قدرتمند می‌باشد. شاید در تصاویر هواپیماهای در حال گذر از دیوار صوتی، هاله‌ای سفید رنگ را در اطراف هواپیما مشاهده کرده باشید. در هنگام گذر از دیوار صوتی، اگر هواپیما نزدیک به زمین و در محیطی مرطوب با درصد بخار آب زیاد باشد، بخار آب هوا در اثر امواج ضربه‌ای فشرده شده و ابر سفیدی را برای چند ثانیه پدید می‌آورند که همان هاله سفید رنگ قابل روییت در تصاویر است. اما از امواج ضربه‌ای در موتورهای جت نیز استفاده می‌شود. بدین گونه که، هوا ورودی در موتورهای جت، اگر هواپیما با سرعتهای بالای صوت پرواز نماید، باید زیر سرعت صوت باشد تا قابلیت احتراق را در موتور داشته باشد.

شکستن دیوار صوتی به عنوان یک پرتابه ی انسان

در ژانویه ۲۰۱۰، فلیکس باومگارتنر با کار در یک تیم از دانشمندان حمایت شده توسط "نوشابه‌های رد بول" برای کسب بالاترین رکورد در سقوط آزاد از آسمان تلاش کردند. این پروژه برای دیدن شکست دیوار صوتی توسط باومگارتنر با پرش از ارتفاع ۳۶،۵۸۰ متری از یک بالون هلیوم بعنوان اولین چتر باز تلاش می‌کند. پرش در تاریخ نهم اکتبر ۲۰۱۲ برنامه ریزی شده بود، اما به دلیل نامساعد بودن هوا لغو شد و پس از آن کپسول در ۱۴ اکتبر به فضا پرتاب شد.

دانستنی ها

یک هواپیمای جت مافوق صوت، سریع­تر از صوت حرکت می­کند. سرعت چنین هواپیماهایی بر حسب «ماخ» اندازه­گیری می­شود. عدد ماخ مقیاسی است برای اندازه­گیری سرعت که اگر سرعت یک هواپیما را بر سرعت صوت در هوا تقسیم کنیم، عدد ماخ به دست می­آید. یک ماخ برابر سرعت صوت است و دو ماخ یعنی دو برابر سرعت صوت.

خیلی‌ها فکر می‌کنند دست‌یابی به سرعت‌های مافوق‌صوت به هنگام شلیک گلوله یا پرواز جنگنده‌ها می‌تواند روی دهد، اما حتی سنگ‌ریزه‌ای که در آب فرو می‌افتد، هوا را به سرعت‌ بیشتر از ۳۴۰ متر بر ثانیه می‌رساند.

 اگر تصور می‌کنید این تصویر یک هواپیما یا یک پرنده است، در اشتباهید. این تصویر سنگی در حال فرو رفتن در آب است. شاید این منظره معمولی به‌نظر برسد، اما نکته جالب این واقعه آن است که دانشمندان تخمین می‌زنند جریان هوایی که از این برخورد به وجود می‌آید، از سرعت یک گلوله نیز بالاتر است.

mg20527444.700-1_300

به گزارش نیوساینتیست، زمانی که شیئ مانند یک سنگ داخل آب می‌افتد ، حفره‌ای از هوا داخل آب تولید می‌شود که می‌تواند هوا را با سرعتی مافوق سرعت صوت از داخل آب به بیرون بفرستد. این کشف توسط استفان کگل و همکارانش از دانشگاه Twente واقع در هلند انجام گرفته است.

این گروه با استفاده از تصویربرداری با سرعت بسیار بالا ، حفره‌ای از هوا را ثبت کردند که به شکل یک ساعت شنی در آب تشکیل می‌شود. بالای این ساعت شنی در حقیقت، سطح آبی است که شیء با آن برخورد کرده و پایه آن را شیء در حال فرو رفتن در آب تشکیل می‌‌دهد.

این تیم تحقیقاتی برای اندازه‌گیری سرعت هوایی که از بالای سطح آب خارج می‌شود، آب را به رنگ مشکی در آوردند. اما با وجودی که دوربین آن‌ها می‌توانست در هر ثانیه ۱۵هزار تصویر ثبت کند، گروه تحقیقاتی باز هم موفق نشد این سرعت را به طور مستقیم اندازه‌گیری کند. این بدان معنی بود که سرعت هوای خروجی خیلی بیشتر از انتظار آنهاست. بنابراین آن‌ها تصمیم گرفتند با استفاده از شبیه‌سازی ، رفتار آب و هوای خروجی را بررسی کنند.

با انجام این کار، محققان متوجه شدند درست قبل از آن‌که حفره تشکیل شده بسته شود، فشار هوا در انتهای این ساعت شنی نسبت به گردنه آن بسیار بالاتر می‌رود و این تفاوت فشار، هوا را با سرعتی فراتر از سرعت صوت به بیرون می‌فرستد.

فهرست منابع

  •  اینترنت
  • ویکیپدیا
  • مجله ی رشد
  • تبیان
  • آپارات
  • هوپا
  • نوجوان ها
  • دایره المعارف مدرسه
  • دایره المعارف علوم برای نوجوانان
  • دایره المعارف ۱۶۰۰ پرسش و پاسخ برای نوجوانان
VN:F [1.9.20_1166]
رتبه پست: ۱۰ / ۱۰٫۰ ( تعداد آراء : ۱ رای)
دیوار صوتی چگونه می­ شکند؟, ۱۰٫۰ out of 10 based on 1 rating

آرمان نیک پور طهرانی (پایه هشتم)

نوازنده ی ویولون (۷سال)، کونگ فو کار حرفه ای کوچیک شما آرمان نیک پور طهرانی

More Posts

درباره نویسنده: آرمان نیک پور طهرانی (پایه هشتم)

نوازنده ی ویولون (7سال)، کونگ فو کار حرفه ای کوچیک شما آرمان نیک پور طهرانی

فرستادن دیدگاه

برای قرار دادن شکلک ها روی آنها کلیک کنید.

SmileBig SmileGrinLaughFrownBig FrownCryNeutralWinkKissRazzChicCoolAngryReally AngryConfusedQuestionThinkingPainShockYesNoLOLSillyBeautyLashesCuteShyBlushKissedIn LoveDroolGiggleSnickerHeh!SmirkWiltWeepIDKStruggleSide FrownDazedHypnotizedSweatEek!Roll EyesSarcasmDisdainSmugMoney MouthFoot in MouthShut MouthQuietShameBeat UpMeanEvil GrinGrit TeethShoutPissed OffReally PissedMad RazzDrunken RazzSickYawnSleepyDanceClapJumpHandshakeHigh FiveHug LeftHug RightKiss BlowKissingByeGo AwayCall MeOn the PhoneSecretMeetingWavingStopTime OutTalk to the HandLoserLyingDOH!Fingers CrossedWaitingSuspenseTremblePrayWorshipStarvingEatVictoryCurseAlienAngelClownCowboyCyclopsDevilDoctorFemale FighterMale FighterMohawkMusicNerdPartyPirateSkywalkerSnowmanSoldierVampireZombie KillerGhostSkeleton

در یک نگاه

آخرین دیدگاه‌ها