شکستن دیوار صوتی یعنی چه؟

اول صبح؛ قدرت شکستن دیوار صوتی به حدی است که می‌تواند صدای مهیبی مانند صدای انفجار یا آسیب به ساختمان‌های اطراف را ایجاد کند. سوال اینجاست که دیوار صوتی چگونه میشکند؟

امروز در خبری گفته شد علت صدای مهیب در گرمسار صدای دیوار صوتی بوده است و شهروندان نگران نباشند. با انتشار این خبر برای بسیاری این سوال پیش آمده است که دیوار صوتی چگونه میشکند؟ و اصلا دیوار صوتی چیست؟ بسیاری از جنگنده‌ها و هواپیماهای پرقدرت این توانایی را دارند که دیوار صوتی را بشکنند؛ یعنی از سرعت صوت عبور کنند. شکستن دیوار صوتی توسط f۳۵ وشکستن دیوار صوتی توسط f۱۴ مثال‌هایی از این موارد است. در ادامه با پدیده شکستن دیوار صوتی و اثرات آن بیشتر آشنا شوید.

شکستن دیوار صوتی یعنی چه؟

روزیاتو نوشت: در هوانوردی، دیوار صوتی (به انگلیسی: Sound barrier) نقطه‌ای است که متحرک اگر بخواهد به مافوق صوت برسد باید از آن عبور کند. اولین بار در دهه ۱۹۵۰ دیوارهای صوتی شکسته شدند. شکسته شدن دیوار صوتی همراه با صدایی بلند است.

اساساً پرواز فراصوت به معنای هر نوع پروازی است که در آن هواپیما سریع‌تر از سرعت صوت حرکت می‌کند. در حالی کمتر کسی شانس سفر با سرعت صوت را پیدا می‌کند، اما پرواز فراصوت یک هدف پرواز جذاب و یک شاهکار تکنولوژیکی چشمگیر است. اگر چه افراد زیادی در هواپیماهای با سرعت بالا پرواز کرده اند، اما پرواز فراصوت تقریباً به طور انحصاری برای خلبانان جنگنده در جت‌های فراصوت با سرعت‌های بسیار بیشتر از ماخ ۱ در نظر گرفته شده است. با این حال، همیشه چنین نبوده و هواپیماهای تجاری که می‌توانند دیوار صوتی را بشکنند، در گذشته نه چندان دور وجود داشته و مسافران را جابجا کرده اند.

اثرات شکستن دیوار صوتی

رسیدن و عبور از سرعت صوت تاثیرات قابل توجهی دارد. اندازه یا شکل شیء اهمیتی ندارد؛ زمانی که چیزی از دیوار صوتی عبور می‌کند، یک غرش صوتی (sonic boom) ایجاد خواهد کرد. این موج شوک مانند یک انفجار یا صدای رعد و برق به نظر می‌رسد و به اندازه‌ای قوی است که باعث آسیب ساختاری به ساختمان‌های مجاور می‌شود و در اوج خود به ۱۱۰ دسی بل می‌رسد. غرش‌های صوتی به این دلیل ایجاد می‌شوند که شیء سریع‌تر از امواج صوتی که تولید می‌کند حرکت می‌کند.

هنگامی که هواپیمای فراصوت در هوا حرکت می‌کند، امواج صوتی از آن ساطع می‌شوند و در تمام جهات پراکنده می‌شوند. در حین شتاب گیری، امواج صوتی ساطع شده از جلوی هواپیما شروع به فشرده شدن با یکدیگر می‌کنند و در نهایت به دلیل این فشار به یک موج شوک بزرگ تبدیل می‌شوند. با این حال، غرش صوتی یک انتشار منفرد نیست و همراه با موجی که در کنار هواپیمای فراصوت حرکت می‌کند یک مخروط صوتی را شکل می‌دهد.

مثال ساده برای درک مفهوم شکستن دیوار صوتی

نوک برخی از شلاق‌های معمول، مانند شلاق چرمی قادر به حرکت با سرعتی بیش از سرعت صوت هستند. نوک شلاق دیوار صوتی را می‌شکند و باعث ایجاد صدای شکست تیزی می‌شود که به معنی دیگر شکست صوت است. همچنین اسلحه‌های گرم پس از قرن نوزدهم به‌طور کلی تا به حال بالای سرعت صوت کار کرده‌اند.

وبسایت مهندس برتر نوشت: با نزدیک شدن هواپیما به سرعت صوت، تولید امواج ضربه‌ای یا Shockwaveها بر روی بال‌ها شروع می‌شود. هر چه سرعتی که هواپیما در آن سرعت موجب تولید امواج ضربه‌ای می‌شود بیشتر باشد، آن هواپیما از آیرودینامیک بهتری برخوردار است. این امواج حالتی را شبیه به کوبیدن رو بال‌ها پدید می‌آورند و این حالت ناپایداری تا جایی ادامه می‌یابد که ممکن است فرامین هواپیما به کلی از دست هدایت کننده آن بیرون رود.

سرعتی را که تولید امواج ضربه‌ای در آن برای یک هواپیما شروع می‌شود، عدد ماخ بحرانی یا Critical Mach می‌نامند. اما بعد از شکست دیوار صوتی و گذشتن از آن این حالت از بین رفته و فرامین به حالت اصلی خود باز می‌گردند. گفتیم که نزدیکی هواپیما به سرعت صوت، تولید امواج ضربه‌ای را در پی دارد. هر موجود پرنده‌ای در حالت پرواز، فشارهای گوناگونی تولید کرده و فشارهای متفاوتی نیز از سوی او بر محیط اعمال می‌شود و عملاً نظم فشار محیط را بهم می‌زند. تا قبل از سرعت صوت، هر موجی که از سوی هواپیما تولید می‌شود، از آن دور شده و اثری بر آن نخواهد داشت.

اما با تقرب هواپیما به سرعت صوت، دیگر تقریباً امواج فرصت دور شدن از لبه حمله بال هواپیما را نداشته تا جایی که دیگر اصلاً موقعیتی برای فرار آن‌ها وجود نداشته و، چون هواپیما نیز همسان با سرعت صوت حرکت می‌کند، صدای تولید شده توسط هواپیما در هر لحظه جمع شده و با تجاوز از سرعت صوت، صدای مهیب و انفجار مانندی به گوش می‌رسد که همان نتیجه شکستن دیوار صوتی است.

بشر به دنبال شکستن دیوار صوتی

تین نیوز نوشت: انسان همیشه عطش بسیاری برای پیشرفت داشته و این مسئله باعث شده تا هرگاه به آرزویی دست می‌یابد به‌دنبال آرزویی بزرگ‌تر حرکت کند و درواقع این خصوصیت انسان موجب پویایی جوامع انسانی شده است. هنگامی‌که برادران رایت در سال ۱۹۰۱ موفق شدند اولین پرواز واقعی انسان را با هواپیما گلایدر خود انجام دهند، تلاش کردند که یک هواپیما موتوردار قابل‌کنترل بسازند که این آرزو هم در سال ۱۹۰۳ به واقعیت پیوست. اما در آن زمان برادران رایت هیچ تصوری از شکستن دیوار صوتی با هواپیمایی که ساخته بودند نداشتند.

اولین کسی که از دیوار صوتی گذشت

در ۱۴ اکتبر سال ۱۹۴۷ یک خلبان نیروی هوایی آمریکا به نام چاک ییگر موفق شد تا با هواپیمای بمب‌افکن بل X۱ و در ارتفاع ۴۵ هزار پایی (۱۳ هزار و ۷۰۰ متر) دیوار صوتی را بشکند و سرعت جنگنده خود را به کمی بیش از یک ماخ برساند.

رکوردهای شکستن دیوار صوتی

درحال‌حاضر رکورد سرعت در بین هواپیماهای کاربردی دراختیار لاکهیدمارتین SR ۷۱ بلک‌برد است که قادر است سرعت خود را تا ۳.۲ ماخ (هر ماخ برابر با سرعت صوت به میزان ۳۴۰.۳ متر بر ثانیه است.) برساند. در بین هواپیماهای جنگنده هم رکورد سرعت دراختیار میگ ۲۵ روسیه است که قادر است با سرعت ۳ ماخ پرواز کند. درحال‌حاضر پهپاد NASA X-۴۳A سریع‌ترین پرنده ساخت بشر است که رکورد سرعت ۱۱۲۶۵ کیلومتر بر ساعت (۹.۶ برابر سرعت صوت) را به ثبت رسانده است.

اما رکورد سرعت سریع‌ترین پرنده سرنشین دار دراختیار هواپیما X۱۵ ساخت شرکت نورث امریکن اویشین است. این هواپیما با کمک یک موتور راکتی سوخت مایع توانست در سال ۱۹۶۷ رکورد سرعت خود را به ثبت برساند. این هواپیما توسط یک بمب‌افکن B. ۵۲ به ارتفاع ۱۴ هزار متری برده شد و پس از روشن شدن موتور رها شد و توانست به‌سرعت ۷۲۷۴ کیلومتر بر ساعت معادل ۶.۷۲ ماخ دست پیدا کند. نکته جالب در مورد این هواپیما آن است که شرکت سازنده آن همان شرکتی است که هواپیما بل X۱ را ساخت که خلبان ییگر توانست با آن برای اولین بار به‌سرعت یک ماخ دست پیدا کند.

شکستن دیوار صوتی توسط انسان با سقوط آزاد

دانستیم دیوار صوتی چگونه میشکند. جالب است بدانید یک انسان توانسته با سقوط آزاد از فضا از دیوار صوتی عبور کند.

یورونیوز نوشت: فلیکس بومگارتنر اولین انسانی است که با ثبت سه رکورد جهانی سقوط آزاد توانست دیوار صوتی را بشکند. این نخستین باری بود که دیوار صوتی توسط یک انسان شکسته شد. فلیکس، اتریشی۴۳ ساله‌ای که در صحرای نیومکزیکو مرزهای استقامت انسانی و علم را با شاهکار خود شکست، می‌گوید که این کار پر مخاطره را بدلیل فشارهای ناشی از آن تکرار نخواهد کرد. این کار او حدود پنجاه میلیون یورو هزینه در بر داشت.

یورونیوز: آیا زمانی که از دیوار صوتی گذشتید خودتان متوجه شدید؟ چگونه بود؟

فلیکس بومگارتنر می‌گوید: «وقتی از دیوار صوتی عبور کردم، متوجه نشدم. برای اینکه اصلا معلوم نبود. به من گفته شده بود که “امواج ضربه ای» از لباسم رد میشود، ولی من چیزی حس نکردم. آن صدای مهیب ماورای صوت را هم نشنیدم، برای اینکه اصولا باید پشت سر من اتفاق می‌افتاد و من در این فاصله چترم را باز کرده بودم و حتی نمی‌دانستم که سرعتم از سرعت صوت بیشتر بوده یا نه. تا اینکه روی زمین فرود آمدم و خیلی‌ها گفتند، دیوار صوتی را شکستی. آن‌ها صدای شکسته شدن دیوار صوتی را از روی زمین شنیده بودند.”

ارتباط طراحی هواپیما با شکستن دیوار صوتی

وبسایت ایران هوافضا نوشت: بیشتر در ورودی موتورهای هواپیماهای جنگنده مخروطی را به شکل کامل یا نصف مانند هواپیماهای میگ ۲۱ یا اف ۱۰۴ استارفایتر دیده میشود، که فلسفه ایجاد این مخروط تولید عمدی امواج ضربه‌ای است. در صورت تولید امواج ضربه ای، هوای عبوری از میان آن با سرعت کاهش یافته یا زیر صوت وارد موتور میشود و فرآیند احتراق بطور کامل انجام میپذیرد. برای انجام پروازهای مافوق صوت، اغلب هواپیماهای جنگنده از مقطع بال‌های ویژه‌ای که عدد ماخ بحرانی را به حداکثر میرسانند، استفاده مینمایند و مقطع بال‌ها معمولاً بسیار نازک و متقارن میباشد.

به عقب برگشتگی بال‌های هواپیماهای مدرن نیز در نتیجه تلاش برای افزایش عدد ماخ بحرانی بوده، چرا که آزمایش‌های تونل باد نشان داده که با به عقب برگشتگی بال‌ها به میزان چند درجه عدد ماخ بحرانی به میزان قابل توجهی افزایش مییابد، تا جایی که هواپیماهای مسافربری سریع السیر مانند بوئینگ ۷۴۷ که در حدود سرعت صوت یا حدود ۹۸۰ کیلومتر بر ساعت پرواز میکنند، نیز به بال‌هایی به عقب برگشته مجهزند.

در برخی از هواپیماها، مانند هواپیمای اف ۱۴ تامکت، از سیستم بال‌های متغیر استفاده شده که در این سیستم، در سرعت‌های پایین که از عدد ماخ بحرانی خبری نیست بال‌ها گسترده میشوند و برای فراوانی تولید میکنند، ولی رفته رفته با نزدیک شدن به سرعت صوت، کامپیوتر موجود در این سیستم خود زاویه لازم برای افزایش عدد ماخ بحرانی را محاسبه کرده و بال را متناسب با زوایه آن تغییر داده و به عقب بر میگرداند. این سیستم به دلیل هزینه‌های بالا و سنگینی بیش از حد آن، دارای استفاده محدودی میباشد.

دسته‌بندی هواپیماها بر اساس سرعت صوت

هواپیماهای زیر سرعت صوت یا فروصوت با محدوده سرعت ۳۵۰ تا ۹۵۰ کیلومتر بر ساعت، Subsonic

هواپیماهای حدود سرعت صوت با محدوده سرعت ۹۵۰ تا ۱۲۰۰ کیلومتر بر ساعت، Transonic

هواپیماهای سرعت صوت با محدوده سرعت دقیقاً سرعت صوت نسبت به محیط، Sonic

هواپیماهای بالای سرعت صوت یا فراصوت با محدوده سرعت ۱ ماخ تا ۵ ماخ، Supersonic

هواپیماهای با سرعت بسیار بیشتر از سرعت صوت با محدوده سرعت ۵ ماخ و بالاتر، Hypersonic