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.
Les hommes ont toujours été fascinés par la vitesse. L'histoire du progrès humain se confond avec celle d'une vitesse en perpétuelle augmentation. et l'une des réalisations les plus importantes dans cette course en avant fut le franchissement du mur du son. Peu après les premiers vols réussis en avion, les pilotes étaient désireux de pousser leurs engins de plus en plus vite. Mais ce faisant, ils augmentaient la turbulence, et des forces importantes exercées sur l'avion qui les empêchaient d'accélérer davantage. Certains ont essayé de contourner ce problème par des piqués dangereux, souvent avec des conséquences tragiques. Enfin, en 1947, des améliorations de conception, comme le stabilisateur horizontal mobile, l’empennage entièrement mobile, ont permis à Chuck Yeager, pilote de l'armée américaine, de voler à bord du Bell X-1 à 1127 kilomètres-heure, devenant la première personne à franchir le mur du son et à se déplacer plus vite que la vitesse du son. Le Bell X-1 était le premier d'une longue série d'avions supersoniques à venir, certains modèles dépassant plus tard Mach 3. Un avion volant à une vitesse supersonique crée une onde de choc accompagnée d'un bruit de tonnerre, connu sous le nom de bang supersonique, qui peut provoquer du stress chez les gens et les animaux au sol, ou même endommager les bâtiments. C'est pourquoi des scientifiques du monde entier ont examiné les bangs supersoniques, essayant de prédire leur cheminement dans l'atmosphère, où ils allaient atterrir, et quels seraient leurs impacts sonores. Pour mieux comprendre comment les scientifiques les étudient rappelons quelques bases sur le son. Imaginez que vous jetez une pierre dans une mare au repos. Que voyez-vous ? La pierre provoque des ondes qui se propagent dans l'eau à la même vitesse et dans toutes les directions. Ces cercles qui augmentent de diamètre sont appelés fronts d'onde. De même, bien que nous ne puissions pas les voir, une source sonore stationnaire, comme une chaine hi-fi, crée des ondes qui se propagent vers l'extérieur. La vitesse des ondes dépend de plusieurs facteurs comme l'altitude et la température de l'air dans lequel elles se propagent. Au niveau de la mer, le son se propage à environ 1225 km/h. Mais au lieu de cercles comme dans le cas d'un espace bidimensionnel, les fronts d'ondes sont désormais des sphères concentriques, le son se propageant le long de rayons perpendiculaires à ces ondes. Maintenant, imaginez une source sonore en mouvement, comme un sifflet de train. Tandis que cette source continue de se déplacer dans une certaine direction, les ondes successives qui la devancent se rapprochent et se tassent de plus en plus. Cette augmentation de la fréquence des ondes est la cause de l'effet Doppler ou le son des objets sonores approchant semble plus aigu . Mais tant que la source sonore se déplace plus lentement que les ondes-mêmes, elles resteront emboitées les unes dans les autres. c'est quand l'objet est supersonique, se déplaçant plus vite que le bruit qu'il produit, que le tableau change radicalement. Comme il dépasse les ondes sonores qu'il a émises, tout en en générant de nouvelles depuis sa position courante, les sondes sont poussées les unes contres les autres, formant un cône de Mach. Quand il approche un observateur, aucun son ne se fait entendre parce que l'objet se déplace plus rapidement que le son qu'il produit. C'est seulement après que l'objet a passé que l'observateur entendra le bang. L'intersection entre le cône de Mach et le sol forme une hyperbole, laissant une trace comme un tapis rouge que l'on déroulerait tandis qu'il avance . Il est ainsi possible de déterminer la zone touchée par un bang supersonique. Et comment déterminer l'intensité du bang supersonique ? Cela implique la résolution des fameuses équations de Navier-Stokes pour déterminer la variation de pression dans l'air provoquée par le vol supersonique qui le traverse. Le résultat est une courbe de pression caractéristique, en forme de N. Que signifie cette forme ? Eh bien, le bang se produit lors d'un changement brusque de la pression et la forme en N implique deux bangs : un premier pour l'augmentation initiale de la pression dans le nez de l'appareil et un autre pour le passage de la queue lorsque la pression retourne soudainement à la normale. Cela provoque un double bang, mais cela est généralement perçu comme un bang unique par l'oreille humaine. Dans la pratique, les modèles numériques qui utilisent ces principes peuvent souvent prédire l'emplacement et l'intensité des bangs supersoniques pour des conditions atmosphériques et les trajectoires de vol données, et des recherches sont en cours pour en atténuer les effets. En attendant, le vol supersonique au dessus de la terre ferme reste interdit. Les bangs supersoniques sont-ils une création récente ? Pas vraiment. Alors que nous cherchons des moyens de les réduire au silence, quelques autres animaux ont utilisé ces bangs à leur avantage. Le gigantesque Diplodocus a peut-être été capable de claquer sa queue plus vite que le son, au delà de 1200 km/h, peut-être pour écarter des prédateurs. Certaines crevettes peuvent aussi créer sous l'eau une onde de choc similaire, étourdissant ou tuant parfois leur proie à distance par un simple claquement de leur pince surdimensionnée. Ainsi, les humains ont fait de grands progrès dans leur quête inlassable de la vitesse, il se trouve que la nature était là d'abord !