فُتنَ البشر بالسرعة منذ أزمنةٍ بعيدة. إنّ تاريخ التّطور البشريّ هو أحد السرعات دائمة الزّيادة، وأحد أهمّ الإنجازات في هذا السّباق التّاريخيّ، كان اختراق حاجز الصّوت. لم يمض وقتٌ طويلٌ بعد نجاح أولى رحلات الطّيران، حتّى تحمّس الطّيارون لجعل طائراتهم تطير أسرع فأسرع. لكن عند قيامهم بذلك، كانت الإضطرابات المتزايدة، والقوى الهائلة على الطّائرة قد منعتهم من زيادة سرعتهم أكثر. حاول البعض التّحايل على المشكلة من خلال انقضاضاتٍ محفوفةٍ بالمخاطر، غالبًا ما كانت تنتهي بنتائج مأساوية. أخيراً، في عام 1947، وبعد إدخال تحسيناتٍ على التّصاميم، كجهاز التّوازن الأفقي المتحرك، الذّيل كليّ الحركة، سمحت للطيّار الحربي الأمريكي تشاك ييغر، بأن يطير بطائرة "بيل إكس 1" بسرعةٍ بلغت 1127 كم/ساعة، ليصبح بذلك أول شخص يخترق حاجز الصّوت، ويسافر بسرعةٍ أكبر من سرعة الصّوت. تعتبر طائرة "بيل إكس 1" واحدة من عدّة طائرات لاحقة خارقةٍ للصّوت، بتصميماتٍ لطائراتٍ تصل لسرعاتٍ أكثر من 3 ماخ. الطائرات التّي تطير بسرعةٍ أكبر من سرعة الصّوت تخلق موجاتٍ تصادميّةٍ مترافقةٍ مع ضوضاء كالرّعد يُعرَف باسم دويّ اختراق حاجز الصّوت، ممّا يسبّب ضيقًا للأشخاص والحيوانات في الأسفل، أو حتّى إلحاق الضّرر بالأبنية. لهذا السّبب، قام العلماء حول العالم بتتبّع دويّ اختراق حاجز الصّوت، في محاولةٍ للتّنبّؤ بمساره في الغلاف الجوي، وفي أي مكان سيحطّ، وكم سيكون صوته صاخبًا. لنفهم كيفية دراسة العلماء لدويَّ اختراق حاجز الصّوت بشكلٍ أفضل، دعونا نبدأ ببعض أساسيات الصّوت. تخيّل إلقاء حجر صغير في بركةٍ ساكنة. ما الذّي تراه؟ يسبّب الحجر أمواجًا تنتقل في الماء، بنفس السّرعة في كل الاتجاهات. تدعى هذه الدّوائر التّي تستمرّ في النّمو بشكلٍ نصف قطريٍّ بالجبهات الموجيّة. على نحوٍ مماثلٍ، وبالرّغم عن عدم قدرتنا على رؤيتها، فإنّ مصدر صوتٍ ثابتٍ، كجهاز ستريو منزليّ، يخلق أمواجًا صوتيّةً تتّجه للخارج. تعتمد سرعة الأمواج على عوامل كارتفاع و حرارة الهواء التّي تنتقل خلاله. عند مستوى سطح البحر، تنتقل الأصوات بسرعةٍ تصل إلى 1225 كم/ساعة. لكن بدلًا من دوائر على سطح ثنائي الأبعاد، فإنّ الجبهات الموجيّة هي دوائر متّحدة المركزالآن، مع صوتٍ ينتقل بمحاذاة أشعّةٍ متعامدةٍ مع هذه الموجات. تخيّل الآن مصدر صوتٍ متحرك، كصافرة قطار. فطالما أنّ المصدر يستمرّ بالتّحرك في اتّجاه ٍمعيّنٍ، فإنّ الموجات المتتابعة أمامه ستجتمع مقتربةً من بعضها. تردّد الموجة العظمي هذا هو السّبب فيما يسمّى بتأثير دوبلر الشّهير، حيث تصدر الأجسام المقتربة صوتًا ذا نبرةٍ عالية. ولكن طالما أنّ المصدر يتحرك بسرعةٍ أبطئ من موجات الصّوت نفسها، فإنهّا ستبقى محتواة فيما بينها. إنّه عندما ينتقل الجسم بسرعة فوق صوتيّة، أي يتحرك أسرع من الصّوت الذّي يصدره، فهو مايغيّر الصّورة بشكلٍ كبير. بإجتيازها الأمواج الصوتيّة التّي تصدرها، بينما تولِّد أخرى جديدةً من موقعها الحالي، فإنّ الأمواج تضغط سويّةً، لتشكل مخروط ماخ. لا يُسمع أيّ صوتٍ عند إقترابها من مراقبٍ ما، لأنّ الجسم ينتقل بسرعةٍ أكبر من الصّوت الذّي يصدره. عندما يجتاز الجسم المراقب فحينها فقط سيسمع صوت الدوّي. عندما يلتقي مخروط ماخ بالأرض فإنّه يشكّل قطعًا زائدًا، مخلفًا أثراً يعرف بسجادة الدويّ عندما تتحرّك للأمام. هذا يجعل تحديد المنطقة المتأثّرة بدويّ اختراق حاجز الصّوت ممكنًا. ماذا عن اكتشاف مدى قوّة دويّ اختراق حاجز الصّوت؟ هذا يقتضي حلّ معادلات نافير-ستوكس الشّهيرة، لإيجاد التّباينات في ضغط الهواء الذّي تسبّبه الطّائرة فوق الصّوتيّة عند طيرانها خلاله. ينتج عن ذلك شارة الضّغط المعروفة باسم الموجة N. ما الذّي يعنيه هذا الشّكل؟ حسنًا، يحدث دويّ اختراق حاجز الصّوت عندما يحصل تغيّرٌ مفاجئُ في الضّغط، وتشتمل موجة N على دوييّن: الأوّل لضغطٍ ابتدائيٍّ ينشأ عند مقدمة الطائرة، والآخر عندما يمّر الذّيل، ثمّ يعود الضّغط فجأةً لطبيعته. يؤدي ذلك لدويٍّ مزدوج، ولكنّه يُسمع عادةً كصوت دويٍّ واحدٍ بالأذن البشريّة. في الناحية العمليّة، إنّ نماذج الحاسوب التّي تستخدم هذه المبادئ، تستطيع غالبًا التننبؤ بموقع وشدة دويّ اختراق حاجز الصّوت، لظروفٍ جويّةٍ ومسارات رحلات طيران محدّدة، كما أنّ هنالك بحوثًا مستمرّةً للتّخفيف من آثارها. في الوقت الرّاهن، مايزال الطّيران بأعلى من سرعة الصّوت فوق اليابسة ممنوعًا. إذًا، هل يعدّ اختراق حاجز الصّوت ابتكارًا حديثًا؟ ليس تمامًا. بينما نحاول العثور على طرق لجعلها صامتةً، كانت حيواناتٌ أخرى تستخدم دويّ اختراق حاجز الصّوت لمصلحتها. فقد كانت ديناصورات الدّيبلودوكوس الضّخمة قادرةً على فرقعة ذيلها، بسرعةٍ أسرع من الصّوت، تبلغ 1200 كم/ساعة، ربما لردع الحيوانات المفترسة. كما يمكن لبعض أنواع الجمبري إصدار موجةٍ صادمةٍ مشابهةٍ تحت الماء، لصعق أو حتي لقتل الفريسة من مسافةٍ بعيدةٍ، بمجرد قرقعةٍ من كلّاباتها كبيرة الحجم. إذًا بينما نحن البشر كنا قد حققنا تطوّراً كبيرًا، في سعيينا المستمر للحصول على السّرعة، تبيّن أنّ الطّبيعة قد سبقتنا إلى ذلك أولاً.
Humans have been fascinated with speed for ages. The history of human progress is one of ever-increasing velocity, and one of the most important achievements in this historical race was the breaking of the sound barrier. Not long after the first successful airplane flights, pilots were eager to push their planes to go faster and faster. But as they did so, increased turbulence and large forces on the plane prevented them from accelerating further. Some tried to circumvent the problem through risky dives, often with tragic results. Finally, in 1947, design improvements, such as a movable horizontal stabilizer, the all-moving tail, allowed an American military pilot named Chuck Yeager to fly the Bell X-1 aircraft at 1127 km/h, becoming the first person to break the sound barrier and travel faster than the speed of sound. The Bell X-1 was the first of many supersonic aircraft to follow, with later designs reaching speeds over Mach 3. Aircraft traveling at supersonic speed create a shock wave with a thunder-like noise known as a sonic boom, which can cause distress to people and animals below or even damage buildings. For this reason, scientists around the world have been looking at sonic booms, trying to predict their path in the atmosphere, where they will land, and how loud they will be. To better understand how scientists study sonic booms, let's start with some basics of sound. Imagine throwing a small stone in a still pond. What do you see? The stone causes waves to travel in the water at the same speed in every direction. These circles that keep growing in radius are called wave fronts. Similarly, even though we cannot see it, a stationary sound source, like a home stereo, creates sound waves traveling outward. The speed of the waves depends on factors like the altitude and temperature of the air they move through. At sea level, sound travels at about 1225 km/h. But instead of circles on a two-dimensional surface, the wave fronts are now concentric spheres, with the sound traveling along rays perpendicular to these waves. Now imagine a moving sound source, such as a train whistle. As the source keeps moving in a certain direction, the successive waves in front of it will become bunched closer together. This greater wave frequency is the cause of the famous Doppler effect, where approaching objects sound higher pitched. But as long as the source is moving slower than the sound waves themselves, they will remain nested within each other. It's when an object goes supersonic, moving faster than the sound it makes, that the picture changes dramatically. As it overtakes sound waves it has emitted, while generating new ones from its current position, the waves are forced together, forming a Mach cone. No sound is heard as it approaches an observer because the object is traveling faster than the sound it produces. Only after the object has passed will the observer hear the sonic boom. Where the Mach cone meets the ground, it forms a hyperbola, leaving a trail known as the boom carpet as it travels forward. This makes it possible to determine the area affected by a sonic boom. What about figuring out how strong a sonic boom will be? This involves solving the famous Navier-Stokes equations to find the variation of pressure in the air due to the supersonic aircraft flying through it. This results in the pressure signature known as the N-wave. What does this shape mean? Well, the sonic boom occurs when there is a sudden change in pressure, and the N-wave involves two booms: one for the initial pressure rise at the aircraft's nose, and another for when the tail passes, and the pressure suddenly returns to normal. This causes a double boom, but it is usually heard as a single boom by human ears. In practice, computer models using these principles can often predict the location and intensity of sonic booms for given atmospheric conditions and flight trajectories, and there is ongoing research to mitigate their effects. In the meantime, supersonic flight over land remains prohibited. So, are sonic booms a recent creation? Not exactly. While we try to find ways to silence them, a few other animals have been using sonic booms to their advantage. The gigantic Diplodocus may have been capable of cracking its tail faster than sound, at over 1200 km/h, possibly to deter predators. Some types of shrimp can also create a similar shock wave underwater, stunning or even killing pray at a distance with just a snap of their oversized claw. So while we humans have made great progress in our relentless pursuit of speed, it turns out that nature was there first.