شکستن دیوار صوتی چیست؟
در هوانوردی شکستن دیوار صوتی به معنی رسیدن وسیله پرنده به سرعت صوت و عبور از آن می باشد. سرعت صوت عبارت است از مقدار مسافتی که صوت در یک مدت زمان معین طی می کند. واحد اندازه گیری سرعت صوت ماخ میباشد که برابر با ۴۲۲۱ کیلومتر بر ساعت است.
کلمه ماخ (Mach ) از نام ارنست ماخ فیزیکدان اتریشی گرفته شده است که در سال 7881 اصول حرکت مافوق صوت را تبیین کرد.
عدد ماخ نسبت سرعت یک شی به سرعت صوت در محیط محلی است و به عواملی نظیر چگالی دما و رطوبت هوا بستگی دارد.
برای مثال:
سرعت صوت در هوای 02 درجه سانتی گراد 7001 کیلومتر بر ساعت است ) یک ماخ(در سطح دریا و دمای 00 درجه ، امواج صوتی با سرعت 513 متر بر ثانیه یا 7012 کیلومتر در ساعت منتشر می شوند.
درمایعاتی مانند آب 3513 کیلومتر بر ساعت است و در جسم جامدی مانند الماس 15022 کیلومتر بر ساعت است.
دلیل متغیر بودن سرعت صوت، به میزان فشار هوا یا در حقیقت ارتفاع بستگی دارد. سرعت ماخ توسط فرمول سرعت “هواپیما ÷سرعت صوت محیط” محاسبه می شود.
در سطح دریا، سرعت صوت در میزان حداکثر خود و در ارتفاعات بالا کمترین مقدار خود را یعنی حدود 7202 کیلومتر بر ساعت را در در دمای 30 درجه دارد که به این معنی است که در سطح دریا، به دلیل تراکم نسبتاً زیاد ملکول های هوا، صوت با سرعت بیشتری حرکت می کند و مجرد اینکه ارتفاع بالا می رود، فشار هوا تقلیل یافته در نتیجه صوت با سرعت کمتری فضا را پیمایش می کند.
به این ترتیب سرعت 702 کیلومتر در ساعت تقریباً مقداری معادل 2.7 ماخ داشته و سرعت 032 کیلومتر برساعت تقریباً معادل 2.0 ماخ است البته بیان سرعت به کیلومتر در ساعت برای درک بهتر است.
واحد سرعت هواپیماها بیشتر بر حسب Knot معادل 7.800 کیلومتر بر ساعت محاسبه گردیده و ارتفاع آنها
نیز بر حسب ft که معادل تقریباً 2.523 متر است محاسبه می شود.
سرعت هر جسم متحرک که قصد شکستن دیوار صوتی را دارد باید از این سرعت(7001 کیلو متر بر ساعت یا همان یک ماخ) بیشتر باشد و آن جسم مقاومت لازم را داشته باشد تا از هم نپاشد و در اصطلاح تکه تکه نشود.
در حدود سرعت صوت، به دلیل فشردگی بیش از حد هوا در مقابل لبه حمله بال هواپیما، نیروی برا ( Lift)هواپیما به شدت کاهش پیدا کرده و بالعکس نیروی مقاومت کننده(Drag) آن به شدت افزایش پیدا می کند؛ تا جایی که در گذشته بسیاری از دانشمندان عقیده داشتند که عبور از چنین سرعتی برای اجسام پرنده ساخت دست انسان غیر ممکن می باشد. به همین دلیل این حد را Sound Barrier نامیده و گذشتن از آن را غیر ممکن می دانستند.
شکستن دیوار صوتی یا گذشتن از سرعت صوت ، اولین بار در 71 اکتبر 7011 و به وسیله چاک بیگر، خلبان نیروی هوایی امریکا با هواپیمای پژوهشی Bell XS-1 که به همین منظور ساخته شده بود اتفاق افتاد.
پرواز کردن هواپیما با سرعتی بیش از این صدایی گوشخراش ایجاد میکند. هنگامی که هواپیما با سرعت مادون صوت (کمتر از یک ماخ) پرواز میکند ارتعاشات در فشار هوا(یا همان
امواج صوتی) عموما در همه جهات پخش میشوند بعبارت دیگر 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 روی زمین میتوان آن را شنید. ولی هنگامی که هواپیما به سرعت صوت میرسد، این صداها دیگر فرصت دور شدن از هواپیما را ندارند و کلاً در جلوی هواپیما جمع میشوند.
با عبور از سرعت صوت، صدای چندین برابر شده ی حرکت هواپیما به گوش شنونده میرسد که مانند یک انفجار بزرگ یا صدای رعد و برقی بسیار نیرومند میباشد. اگر هواپیما به قدر کافی به زمین نزدیک باشد موج فشار می تواند آنقدر قوی باشد که باعث شکستن شیشه ها، تخریب ساختمان های سست و یا کاهش شنوایی
افراد شود.
هنگام شکسته شدن دیوار صوتی توسط هواپیما هالهای سفید رنگی در اطراف هواپیما تشکیل میشود که آنرا میتوان دید.
اگر هواپیما نزدیک به زمین و در محیطی مرطوب با درصد بخار آب زیاد پرواز کند، بخار آب هوا در اثر امواج ضربهای فشرده میشود و ابر سفیدی را بمدت چند ثانیه پدید میآورند.
امواجی به نام Shock waves یا همان امواج ضربهای باعث به وجود آمدن دیوار صوتی میباشند. 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 مثال وقتی که جسمی در آب پرتاب میشود، امواجی در آب پدید می آید و به قسمت های خارجی حرکت میکنند. دلیل به وجود آمدن این امواج افزایش سرعت یا نیرو به لایهای از ملکولهای آب است که میتوانند به لایه های دیگر انتقال پیدا کنند، و امواج ضربهای هم همان امواج درون آب
هستند، با این تفاوت که آنها در سیالی دیگر به جای آب در هوا، تشکیل میشوند.
در سرعتهای نزدیک سرعت صوت فرضیه ای که بیان میکند هوا غیر قابل تراکم است قابل قبول نیست و در صد تراکم پذیری هوا به ۴۶۱ در میرسد، که نمی توان از آن صرف نظر کرد.
در سرعتهای نزدیک به صوت هوای جلوی بال یا لبه حمله به شدت متراکم میشود وباعث افزایش دما و فشار میشود، و میتوان امواج ضربهای را به وجود آورد.
هواپیما هنگامی که دردر هوا پرواز میکند، این نظم فشارخارجی هوای محیط را از بین میبرد یا آن را تغییر میدهد و همانند جسمی که در آب حرکت میکند امواجی در اثر حرکتش بر روی آب به وجود میآید آن و به دلیل اینکه این امواج با سرعت صوت حرکت میکنند و هواپیما زیر سرعت صوت در حال سیر است، از آن دور میشوند.
ولی به تدریج، با نزدیک شدن به سرعتهای Tran Sonic و محدوده سرعت صوت، این امواج فرصت این که از هواپیما دور شوند را پیدا نمی کنند با عث میشود که در جلوی بال های جت ترکم یابند.
در قسمت های از بدنه هواپیما که سطوح نا مرتّبی نسبت به مسیر حرکت هواپیما دارند، سرعت عبور هوا بشتر میشود و بر اساس اصل و قانون برنولی، با افزایش سرعت سیال، فشار آن کاهش مییابد.
در اینگونه سرعتها ، هر چند هواپیما هنوز به سرعت صوت نرسیده ولی هوای اطراف این سطوح بدنه هواپیما به سرعت صوت میرسد،. رسیدن بعضی سطوح به سرعت صوت باعت تولید امواج ضربهای میشود و همچنین موجب تولید درگ یا پسای فراوان قبل از رسیدن به سرعت صوت تولید میشود، که همین مسأله باعث مشکل شد عبور از دیوار صوتی میشود.
هر چه دما و فشار کاهش یابد، سرعت صوت کم می شود، به طوری که برای هواپیمایی در ارتفاع 53 هزار پایی (جایی که دما 31 درجه است)سرعت صوت به 003 متر در ثانیه یا 7202 کیلومتر در ساعت می رسد.
هواپیماها از نظر سرعت به چند دسته تقسیم می شوند:
هواپیماهای زیر سرعت صوت Sub Sonic
هواپیماهای نزدیک سرعت صوت Tran Sonic
هواپیماهای دقیقاْ در صوت Sonic
هواپیماهای ماورای سرعت صوت Super Sonic
هواپیماهای بسیار بالاتر از سرعت صوت Hyper Sonic
برخی از ابزار های قدیمی انسان ها مانند شلاق های چرمی باریک نوک تیز چرمی قادر به حرکت سریع تر از صوت بودند و دیوار صوتی را بشکنندو به همین دلیل صدای شکست تیزی که صدای بلند است را ایجاد میکند نوک شلاق دیوار صوتی را میشکند و باعث ایجاد صدای شکست تیزی میشود.
امروزه بیشتر هواپیماهای جنگنده براحتی از سرعت صوت می گذرند، به طوری که سرعت بعضی مانند SR71 به 5022 کیلومتر در ساعت 5برابر سرعت صوت می رسد.
همچنین چند بمب افکن مانند B-1 لنکستر و B-2 توانایی شکستن دیوار صوتی را دارند. هواپیماهای بدون سرنشین ناسا با سرعت 72 برابر سرعت صوت به پرواز درآمدهاند