شکست دیوار صوت

مفهوم شکست دیوار صوت

چندی پیش بود که مردم بر این باور بودند که دیوار صوتی یک مانع فیزیکی است، یک دیوار واقعی و در عین حال نامرئی. تا زمانی که چاک یگر دیوار صوتی را در 14 اکتبر 1947 شکست، این باور رایج بود که بیش از سرعت صوت، شکستن دیوار صوتی، باعث نابودی هواپیما میشود. اما این ایده‌ها از کجا سرچشمه گرفته‌اند؟

اسپیکر پارتی باکس جی بی ال مدل Ultimate

66,000,000 تومان مشاهده و خرید

دیوار صوتی دقیقا چیست ؟

امروزه، ما میدانیم که دیوار صوتی افزایش ناگهانی کشش آیرودینامیکی است که زمانی اتفاق می‌افتد که یک جسم به سرعت صوت نزدیک میشود. همچنین به عنوان ماخ 1 شناخته میشود. این یک مانع فیزیکی یا جامد نیست. سرعت شکستن دیوار صوتی به شرایط زیادی از جمله آب و هوا و ارتفاع بستگی دارد. سرعت آن در سطح دریا 770 مایل در ساعت یا 1239 کیلومتر بر ساعت است.

دیوار صوت یکی از مفاهیم جذاب و مهم در علم فیزیک و هوانوردی است. این پدیده زمانی رخ میدهد که یک جسم، معمولاً یک هواپیما، به سرعتی نزدیک یا بیشتر از سرعت صوت در هوا میرسد. در طول جنگ جهانی دوم، خلبانان گزارش دادند که هواپیماها از هم گسیخته میشوند و ابزارها هنگام غواصی یخ میزنند. احتمالاً در لحظه‌ای که به سرعت صوت نزدیک میشوند.

در دهه 1940، تکنیک‌های طراحی مناسب و جزئیات آیرودینامیکی برای یک هواپیمای مافوق صوت موفق ناشناخته بود. هواپیماهایی که به طور خاص برای پرواز مافوق صوت طراحی نشده‌اند، هواپیماهایی که بال‌هایشان کم است یا اصلاً جابجا نمیشوند و بال‌های ضخیم با لبه‌های جلویی صاف دارند، با نزدیک شدن به سرعت صوت، کشش هواپیما افزایش می‌یابد.

این افزایش ناشی از امواج ضربه‌ای است که در جریان شتاب‌دار روی بال شکل میگیرد، حتی اگر خود هواپیما هنوز از سرعت صوت تجاوز نکرده باشد. این امواج ضربه‌ای باعث ایجاد میدان‌های فشار بر روی بال (و بقیه هواپیما) میشود و میتواند منجر به جدا شدن جریان قابل توجهی در پشت امواج ضربه‌ای شود. هر دوی این پدیده‌ها میتوانند کشش قابل توجهی هواپیما ایجاد کنند. این شکل‌گیری شوک و افزایش درگ بسیار ناگهانی و بزرگ است و میتواند مانعی برای هر گونه شتاب بیشتر هواپیما باشد. در آن زمان، هیچ هواپیمایی با موفقیت بر این افزایش کشش غلبه نکرده بود، بنابراین برخی پیش بینی کردند که ممکن است امکان پذیر نباشد.

در واقع، دیوار صوت به سرعت صوت در هوا اشاره دارد که در شرایط استاندارد برابر با حدود 1235 کیلومتر بر ساعت است. هنگامی که یک جسم به این سرعت نزدیک میشود، موج‌های فشاری در جلوی آن جمع میشوند و مقاومت هوا به شدت افزایش می‌یابد. عبور از این دیوار، به معنای عبور از سرعت صوت است و این امر موجب ایجاد یک موج ضربه‌ای میشود که به آن بوم صوتی نیز میگویند.

اصول فیزیکی دیوار صوت

سرعت صوت به عوامل مختلفی مانند دما، فشار و رطوبت هوا بستگی دارد. وقتی یک جسم به سرعت صوت نزدیک میشود، موج‌های فشاری در جلوی آن جمع میشوند و ایجاد مقاومت میکنند. وقتی این جسم از سرعت صوت عبور میکند، این موج‌ها در یک نقطه جمع میشوند و موج ضربه‌ای قوی ایجاد میکنند.

تاثیرات دیوار صوت

دیوار صوت تاثیرات متعددی دارد که شامل موارد زیر میشود:

1. تولید بوم صوتی: صدای بلندی که ناشی از موج ضربه‌ای است.
2. افزایش دما و فشار: در ناحیه موج ضربه‌ای دما و فشار افزایش می‌یابد.
3. تاثیر بر ساختار هواپیما: نیاز به طراحی هواپیماهایی که بتوانند این فشارها را تحمل کنند.

آیا چیز دیگری قبل از سال 1947 دیوار صوتی را شکست ؟

در حالی که گلوله‌ها سال‌ها از سرعت صوت فراتر رفته بودند، عقل متعارف بر این باور بود که انسان‌ها نمیتوانند از آن تجاوز کنند. علاوه بر این، شک و تردید وجود داشت که سیستم‌های پیش‌ران هواپیما میتوانند هواپیما را به رژیم‌های سرعت سوق دهند، به همان صورتی که یک پرتابه با شلیک از یک تفنگ به این سرعت میرسد.

افزایش درگ به خودی خود دلیل خرابی‌های سازه‌ای نیست، زیرا نیروهای پساروی هواپیما معمولاً بر سازه تأثیر نمیگذارند. دو حالت شکست دیگر وجود دارد که احتمالاً باعث نابودی هواپیماهایی شده است که در این بازه زمانی سعی در شکستن دیوار صوتی داشتند. اولین مورد فلاتر هواپیما است. فلاتر یک جفت ناپایدار از آیرودینامیک هواپیما و حالت های ارتعاش طبیعی ساختار هواپیما است.

فلاتر به سرعت بسیار حساس است و میتواند با تأثیر امواج ضربه‌ای که روی بال‌ها و سطوح کنترلی شکل میگیرد، اغراق‌آمیزتر شود. فلاتر تقریباً بلافاصله پس از رسیدن به یک سرعت بحرانی خاص رخ میدهد و در کسری از ثانیه ارتعاشات روی هواپیما از قدرت هواپیما فراتر میرود و ساختار به طور فاجعه باری از کار می‌افتد. دومین دلیل احتمالی، تغییرات در پایداری هواپیما است که میتواند هواپیما را تا حد شکست تحت فشار قرار دهد. وجود امواج ضربه‌ای میتواند نحوه واکنش هواپیما به تندبادها یا ورودی‌های کنترلی را تغییر دهد و گاهی اوقات این میتواند منجر به پاسخ ناپایدار شود که منجر به شکست کامل هواپیما میشود.

با توجه به ماهیت ناگهانی، شدید و فاجعه بار این سوانح هواپیما، و به دلیل اینکه خلبانان به ندرت زنده میماندند، از هر حادثه اطلاعات بسیار کمی در دست بود که میتوانست در طراحی‌ها یا تغییرات هواپیماهای آینده اعمال شود. این سوانح شدید همچنین به این افسانه دامن زد که یک «حفاظ صوتی» وجود دارد که هیچ هواپیمایی با موفقیت از آن فراتر نخواهد رفت.

دیوار صوتی چگونه شکسته شد ؟

کاپیتان نیروی هوایی ایالات متحده، چاک یگر، رسما دیوار صوتی را در 14 اکتبر 1947 در هواپیمای راکت بل X-1 شکست. یگر به دنبال سقوط از یک هواپیمای B-29 از سرعت 1 ماخ عبور کرد و ثابت کرد که یک هواپیما با مسافران میتواند دیوار صوتی را بدون آسیب بشکند.

اسپیکر پارتی باکس جی بی ال مدل 710

35,999,000 تومان مشاهده و خرید

این پرواز بر فراز پایگاه نیروی هوایی موروک، که اکنون به عنوان پایگاه نیروی هوایی ادواردز شناخته میشود، در صحرای کالیفرنیا انجام شد. به دنبال این نقطه عطف، تحقیقات ادامه یافت و تا سال 1959، هواپیمای موشکی X-15 پنج برابر سریعتر از سرعت صوت حرکت کرد.

چه چیزی باعث بوم صوتی میشود ؟

امواج فشار، با نام امواج صوتی، با سرعت صوت منتشر میشوند. هنگامی که یک هواپیما سریعتر از سرعت صوت حرکت میکند (شکستن دیوار صوتی)، امواج فشار در جلوی هواپیما منتشر نمیشود، بلکه موجی شبیه به قایق ایجاد میکند که همراه با هواپیما دنبال میشود. بوم صوتی آن موج صوتی است که از کنار ناظر عبور میکند.

آیا میتوان یک بوم صوتی را دید ؟

این لحظه‌ای است که عکاسان آرزوی ثبت آن را با یک کلیک دارند. اما از نظر فنی، نمیتوانید یک بوم صوتی را بدون فناوری تصویربرداری بسیار تخصصی، مانند تصویربرداری Schlieren، که چگالی‌های مختلف در هوا یا مایع را حل میکند، مشاهده کنید. پس از بیش از یک دهه تحقیق، ناسا امسال برای اولین بار امواج شوک مافوق صوت را با موفقیت ثبت کرد.

با تجهیزات تخصصی، شما ممکن است یک “مخروط بخار” را بگیرید، تراکمی که در پشت هواپیما با نزدیک شدن به 1 ماخ ظاهر میشود. همچنین به عنوان “یقه شوک” یا “تخم‌مرغ شوک” شناخته میشود، به احتمال زیاد این تشکیلات ابری باشکوه را خواهید دید. در شرایط مرطوب، به ویژه بالای آب. (متاسفانه، شما نمی توانید مخروط بخار را با گوشی همراه خود ثبت کنید.)

شکستن دیوار صوتی ثابت کرد که بدن انسان میتواند بدون آسیب با سرعت صوت حرکت کند و ما را به امکان پرواز فضایی نزدیکتر میکند. یک مثال عالی رعد و برق و صدای ناشی از رعد و برق است. هر دو دقیقاً در یک زمان اتفاق می‌افتند، اما قبل از شنیدن رعد و برق، رعد و برق را می‌بینید، زیرا نور بسیار سریع‌تر از سرعت صوت حرکت میکند. برای پیمودن یک مایل، صدای رعد و برق تقریباً 5 ثانیه طول میکشد.

به گفته سرویس ملی هواشناسی، اگر تعداد ثانیه‌های بین رعد و برق و صدای رعد را بشمارید و سپس بر 5 تقسیم کنید، فاصله تا رعد و برق را بر حسب مایل خواهید داشت: 5 ثانیه = 1 مایل، 15 ثانیه = 3 مایل، 0 ثانیه = خیلی نزدیک. به خاطر داشته باشید که هنگام شمارش باید در یک مکان امن باشید.

آیا هر جا میرویم یک بوم صوتی میکشیم ؟

خیر، اما ما امواج صوتی ایجاد میکنیم. همه صداها ارتعاش هستند. صدا یک موج فشار است و ما هر بار که نفس میکشیم، حرکت میکنیم، صحبت میکنیم و آواز میخوانیم یا حتی با اسپیکر بلوتوثی خود آهنگ گوش میدیم، این امواج را ایجاد میکنیم. ما حتی در خواب امواج صوتی ایجاد میکنیم (برخی بیشتر از دیگران). امواج ما سریعتر از آن چیزی هستند که فکر میکنید: سرعت صوت در هوا در شرایط عادی حدود 768 مایل در ساعت (1234 کیلومتر در ساعت) است.

کلام آخر

شکستن دیوار صوتی یک نقطه عطف مهم در تاریخ هوانوردی و علم فیزیک بود. این پدیده نشان داد که سرعت صوت تنها یک مرز فیزیکی نیست، بلکه قابل عبور است. با تلاش‌ها و آزمایش‌های مستمر، دانشمندان و مهندسان توانستند هواپیماهایی طراحی کنند که بتوانند از این مرز عبور کنند و به سرعت‌های بالاتری دست یابند. این دستاورد نه تنها امکان پرواز با سرعت‌های بسیار بالا را فراهم کرد، بلکه درهای جدیدی را برای اکتشافات فضایی و فناوری‌های پیشرفته باز کرد. به علاوه، شکستن دیوار صوتی نشان داد که با دانش و فناوری مناسب، میتوانیم بر بسیاری از محدودیت‌های طبیعی غلبه کنیم و به افق‌های جدیدی دست یابیم.

امروزه، هواپیماهای مافوق صوت و فضاپیماها با سرعت‌های بسیار بیشتر از سرعت صوت حرکت میکنند و این تنها آغاز راه است. آینده‌ای که در آن سفرهای فضایی به امری عادی تبدیل شود، نزدیک است و این همه به خاطر شکستن اولین دیوار صوتی توسط چاک یگر و تیم اوست. دیوار صوتی نمادی از تلاش انسان برای فائق آمدن بر محدودیت‌ها و دستیابی به ناشناخته‌هاست. این تلاش‌ها الهام‌بخش ما برای ادامه دادن به کشف و نوآوری در زمینه‌های مختلف علمی و فناوری است.