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.
انسان برای قرنها شیفته و مجذوب سرعت بوده. تاریخ پیشرفت بشر همواره پرشتاب بوده است، و یکی از مهمترین دستاوردهای انسان در این عصر تاریخی شکستن دیوار صوتی بود. مدت کوتاهی پس از اولین پرواز موفقیتآمیز هواپیما، خلبانان مشتاق شدند تا هواپیمایشان سریع و سریعتر حرکت کند. اما با اینکار تلاطم هواپیما افزایش یافته و نیروهای مقاوم بزرگ بر هواپیما از سرعت بیشتر جلوگیری میکرد. برخی تلاش کردند با شیرجه خطرناک مشکل را دور بزنن،د که اغلب نتایج غم انگیزی داشت. آخر سر، در سال ۱۹۴۷، طراحی پیشرفت کرد، و این تثبیت کننده افقی قابل حرکت بود، که دم هواپیمای کاملاً متحرک شد، و اجازه داد که خلبان ارتش آمریکا به نام چاک ییگر با هواپیمایBell X-1 با سرعت ۱٫۱۲۷ کیلومتر بر ساعت حرکت پرواز کند. و اولین کسی شد که دیوار صوتی را شکست و از سرعت صوت سریعتر سفر کرد. Bell X-1 اولین هواپیما از تعداد زیادی هواپیمای مافوق صوت بود که پس از آن آمدند، و طرحهایی که به سرعت بیش از ۳ ماخ رسیدند. (نسبت سرعت جسمی در سیال به سرعت صوت) هواپیماهایی که مافوق سرعت حرکت میکنند امواج شوک درست میکنند همراه با صدایی شبیه رعد و برق که بمب صوتی خوانده می شود، که میتواند ناراحتیهایی برای مردم و حیوانات در آن پائین ایجاد کند حتی میتواند به ساختمانها آسیب برساند. به همین دلیل، دانشمندان در سراسر جهان که به دنبال بمبهای صوتی هستند، تلاش میکنند تا مسیر آنها را در جو پیش بینی کنند، کجا آنها پایان مییابند، و صدای آنها چقدر بلند خواهد بود. برای درک بهترچگونگی مطالعه بمبهای صوتی، بگذارید با برخی از خاصیتهای اصلی صدا شروع کنیم. تصور کنید که یک سنگ کوچک در آب یک برکه پرتاب کنید. چه چیزی را میبینید؟ سنگ باعث میشود که امواج در آب با سرعتی ثابت در همه جهتها حرکت کند. شعاع دایرهها بزرگتر و بزرگتر میشود و به آن جبهه موج میگویند. مشابه آن، حتی با اینکه نمیتوانیم آن را ببینیم، یک منبع ثابت صدا، مانند استریوی خانگی، امواج صوتی را میسازد که در اطراف حرکت میکنند. سرعت امواج بستگی به عواملی مانند ارتفاع و دمای هوایی که صدا در آن حرکت میکند دارد. در سطح دریا، صوت با سرعت ۱٫۲۲۵ کیلومتر بر ساعت حرکت میکند. اما به جای حرکت در سطح دو بُعدی، جبه امواج بشکل کرههای متحدالشکل حرکت میکنند، با صدایی که شعاع آن عمود بر این امواج هستند. حال یک منبع صدای در حال حرکت، مانند سوت قطار را تصور کنید. همانطور که منبع صدا در جهت معینی حرکت میکند، موج های متوالی در مقابل آن تبدیل به دستهای خواهد شد که به هم نزدیک میشوند. فرکانس این موج بزرگتر باعث ایجاد اثرمشهور دوپلر میشود، که در آن جسمی که نزدیک میشود صدای بلندتری ایجاد میکند. اما تا زمانی که منبع صوت سرعتی کمتر امواج خود صدا دارد، آنها با هم باقی میمانند. هنگامی که جسمی مافوق صوت، سریع تر از صدایی که میسازد درحرکت است، وضعیت کاملاً تغییر میکند. جسم از امواجی که خود ساخته، سبقت میگیرد، و همزمان امواج جدیدی از موقعیت فعلیاش تولید میکند، امواج به هم فشرده شده و یک ماخ مخرطی ایجاد میکنند. ناظر با نزدیک شدن جسم هیچ صدایی نمیشنود زیرا جسم سریعتر از صوت خود حرکت میکند. تنها پس از اینکه جسم رد شد ناظر صدای بمب صوتی را میشنود. جایی که مخروط ماخ با زمین برخورد میکند، یک هذلولی شکل میگیرد، با رفتن به جلو دنباله ای به نام بستر بمب صوتی ایجاد میکند. این امکان را برای تعیین منطقه تحت تاثیر بمب صوتی ایجاد میکند. در مورد اینکه بفهمیم که یک بمب صوتی چقدر قوی خواهد بود چطور؟ این به حل معادلات دیفرانسیل معروف «ناویر-استوکس» بستگی دارد تا تغییرات فشار هوا را با توجه به هواپیمای مافوق صوتی که در آن پرواز میکند، بیابیم. این نتایج ناشی از فشار به نام N-موج (N-wave) شناخته شده است. این شکل به چه معناست؟ خوب، انفجار صوتی هنگامی که تغییری ناگهانی در فشاربوجود آید رخ می دهد، و N-موج شامل دو غرش هست: یکی برای افزایش فشار اولیه در دماغه هواپیما، و دیگری برای زمانی که دم هواپیما عبور میکند، و فشار ناگهان به حالت عادی باز می گردد. این باعث ایجاد دو غرش میشود، اما معمولا گوشهای انسان آن را تنها به صورت یک صدا میشنود. استفاده از این اصول در مدلهای کامپیوتری اغلب میتواند محل و شدت بمب صوتی را برای با توجه شرایط اتمسفر و خط مسیر پرواز پییش بینی کند، و تحقیقاتی برای کاهش اترات آن در حال انجام هست. در این میان، پرواز مافوق صوت بر روی زمین همچنان ممنوع است. خُب، آیا بمب صوتی اخیراً ایجاد شده است؟ دقیقاً نه. در حالیکه سعی داریم راههایی برای خاموشی آن بیابیم، تعداد کمی از حیوانات از بمب صوتی به نفع خود استفاده می کنند. دیپلودکس غول پیکر میتوانست دُم خودش را سریعتر از صوت تکان بدهد، بیش از ۱٫۲۰۰ کیلومتر بر ثانیه، از شکارچیان محفوظ بماند. همچنین برخی از انواع میگو میتوانند شوک مشابهی را در زیرآب ایجاد کنند، که سبب گیج کردن و یا حتی کشتن شکارچی در فاصلهای مشخص تنها با به هم زدن ناگهانی پنجههای بزرگشان میشود. خب در حالی که ما انسانها پیشرفت بزرگی در تعقیب بی امان سرعت داشتهایم، ولی معلوم شد که طبیعت از ابتدا این پدیده را داشت.