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.
L'uomo è stato per secoli affascinato dalla velocità. Quella dei progressi umani è una storia di sempre maggiore velocità, e uno dei più importanti traguardi in questa storica gara è stato quello di abbattere la barriera del suono. Poco dopo i primi voli aerei i piloti furono ansiosi di spingere i loro mezzi ad andare sempre più veloci. Ma così facendo, aumentava la turbolenza e forze maggiori sull'aereo impedivano loro di accelerare ulteriormente. Alcuni cercarono di superare il problema con picchiate rischiose, spesso con risultati tragici. Infine, nel 1947, migliorie di ideazione come lo stabilizzatore orizzontale mobile, la coda a pieno movimento permisero a un pilota militare americano di nome Chuck Yeager di volare con il velivolo Bell X-1 a 1127 km/h diventando la prima persona a rompere la barriera del suono e viaggiare più rapido della velocità del suono. Il Bell X-1 fu il primo di una lunga serie di velivoli supersonici con progetti successivi che raggiunsero velocità superiori a Mach 3. Un velivolo che viaggia a velocità supersonica crea un'onda d'urto con un rumore simile al tuono noto come boom sonico che può dare fastidio alle persone e agli animali che sono a terra o anche danneggiare gli edifici. Perciò, gli scienziati nel mondo hanno indagato sui boom sonici cercando di predire il loro percorso nell'atmosfera, dove atterreranno, e quanto saranno rumorosi. Per capire meglio come gli scienziati studiano i boom sonici, iniziamo con qualche nozione di base sul suono. Immaginate di lanciare una piccola pietra in uno stagno con acqua ferma. Cosa vedete? La pietra crea delle onde che viaggiano nell'acqua alla stessa velocità in ogni direzione. Questi cerchi che continuano a crescere di raggio si chiamano fronti dell'onda. Allo stesso modo, anche se non la vediamo una fonte sonora fissa, come uno stereo in casa crea delle onde sonore che viaggiano verso l'esterno. La velocità delle onde dipende da fattori quali l'altitudine e la temperatura dell'aria attraverso cui si muovono. Al livello del mare, il suono viaggia a circa 1225 km/h. Ma invece di cerchi su una superficie bi-dimensionale, i fronti dell'onda sono adesso sfere concentriche, con il suono che viaggia lungo raggi perpendicolari a queste onde. Immaginate ora una fonte sonora in movimento, come il fischio di un treno. Mentre la fonte continua a muoversi in una certa direzione, le onde successive di fronte ad essa si raggrupperanno più vicine. Questa maggiore frequenza d'onde è la causa del famoso effetto Doppler, per cui gli oggetti che si avvicinano hanno tono sonoro più alto Ma finchè la fonte sonora si muove più piano che le onde stesse, resteranno annidate l'una nell'altra Quando un oggetto diviene supersonico, viaggiando più veloce del suono che fa, la situazione cambia drasticamente. Mentre supera le onde sonore che ha emesso ne genera di nuove dalla posizione attuale le onde vengono costrette ad assemblarsi formando un cono Mach. Non si sentono suoni quando l'oggetto si avvicina poichè viaggia più veloce del suono che produce. Solo dopo che l'oggetto è passato l'osservatore sentirà il boom sonico. Dove il cono Mach incontra il terreno, forma un'iperbole lasciando al suo passaggio una traccia nota come "tappeto di rimbombo" Ciò rende possibile determinare l'area interessata dal boom sonico. Come si fa a capire quanto sarà forte un boom sonico? Bisogna risolvere le famose equazioni di Navier-Stokes per trovare la variazione della pressione nell'aria dovuta al velivolo supersonico che ci vola attraverso. Ne deriva la il segno della pressione noto come onda-N. Cosa vuol dire questa forma? Il boom sonico si verifica in presenza di un improvviso cambiamento di pressione e l'onda-N implica due boom: uno per l'iniziale innalzamento di pressione all'estremità del velivolo, e un altro quando passa la coda, e la pressione improvvisamente ritorna normale. Ciò causa un doppio boom, ma viene solitamente sentito dall'orecchio umano come singolo. In pratica, i computer usando questi principi creano modelli che spesso possono predire luogo e intensità dei boom sonici date certe condizioni atmosferiche e traiettorie di volo, la ricerca per mitigare i loro effetti è costante. Intanto il volo supersonico sopra la terraferma rimane vietato. Ma allora, i boom sonici sono un'invenzione recente? Non proprio. Mentre cerchiamo soluzioni per renderli silenziosi, alcuni animali li hanno usati a loro vantaggio. Il gigante Diplodoco potrebbe essere stato capace di schioccare la sua coda più veloce del suono, a oltre 1200 km/h, probabilmente per spaventare i predatori. Anche alcuni tipi di gamberetti possono creare una simile onda d'urto sott'acqua stordendo o anche uccidendo le prede a distanza con appena uno schiocco della loro enorme chela. Mentre noi umani abbiamo fatto grandi progressi nella nostra ostinata ricerca di velocità