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.
De mens is al eeuwenlang gefascineerd door snelheid. De geschiedenis van menselijke vooruitgang is er een van steeds grotere snelheden. Een van de belangrijkste prestaties in deze historische race was het doorbreken van de geluidsbarrière. Niet lang na de eerste succesvolle vliegtuigvluchten waren piloten erop gebrand hun vliegtuigen sneller en sneller te laten gaan. Maar hierdoor nam ook de turbulentie toe en de grote krachten belemmerden dat vliegtuigen nog konden versnellen. Sommigen probeerden dit probleem te omzeilen met riskante duikvluchten, die vaak een tragische afloop hadden. Verbeteringen in het ontwerp in 1947, zoals een beweegbare staart en een beweegbaar horizontaal staartvlak, zorgden ervoor dat piloot Chuck Yeager van de Amerikaanse luchtmacht met het Bell X-1 luchtvaartuig een snelheid van 1127 km/u kon bereiken. Hij werd de eerste persoon die de geluidsbarrière doorbrak en daarmee sneller ging dan de snelheid van het geluid. De Bell X-1 was het eerste van vele supersonische luchtvaartuigen; latere ontwerpen haalden snelheden van meer dan Mach 3. Luchtvaartuigen die sneller dan het geluid gaan, creëren een schokgolf met een donderachtig geluid, bekend als een supersonische knal, dat tot ongemak kan leiden bij mensen en dieren op de grond of zelfs tot schade bij gebouwen. Daarom hebben wetenschappers wereldwijd supersonische knallen bestudeerd. Ze proberen hun baan in de atmosfeer te voorspellen, waar ze de grond zullen bereiken en hoe luid ze zullen zijn. Om beter te snappen hoe supersonische knallen bestudeerd worden, moeten we beginnen met wat basiskennis over geluid. Stel je voor dat je een kleine steen in een stilstaand meertje gooit. Wat zie je? De steen zorgt voor golven in het water die zich met met dezelfde snelheid in elke richting bewegen. Deze zich verwijdende cirkels worden golffronten genoemd. Op dezelfde manier, ook al kunnen we het niet zien, produceert een stilstaande geluidsbron, zoals een stereo installatie, geluidsgolven die zich buitenwaarts voortbewegen. De snelheid van de golven ligt aan factoren zoals de hoogte en de temperatuur van de lucht waardoor ze zich verplaatsen. Op zeeniveau verplaatst het geluid zich met ongeveer 1225 km/u. Maar in plaats van cirkels op een tweedimensionaal vlak zijn de golffronten nu concentrische bollen, met geluid dat zich voortbeweegt langs stralen loodrecht op deze golven. Stel je nu een bewegende geluidsbron voor, zoals de fluit van een stoomtrein. Zolang de bron zich in een bepaalde richting beweegt, zullen de golven ervóór dichter bij elkaar liggen. Deze grotere golffrequentie is de oorzaak van het befaamde dopplereffect, waarbij naderende objecten een hogere toon hebben. Maar zolang de bron zich trager verplaatst dan de geluidsgolven zelf, zullen ze in elkaar blijven passen. Maar gaat een object supersonisch snel, sneller dan het geluid dat het maakt, dan verandert het plaatje behoorlijk. Als het geluidsgolven inhaalt die het gemaakt heeft terwijl er tegelijkertijd nog nieuwe worden gemaakt, worden de golven samengeperst waardoor een kegel van Mach ontstaat. De waarnemer hoort geen geluid wanneer het dichterbij komt omdat het object sneller gaat dan het geluid dat het produceert. Pas nadat het object is gepasseerd, hoort men een supersonische knal. Waar de kegel van Mach de grond raakt, wordt een hyperbool gevormd die een spoor nalaat dat beter bekend is als de geluidstrog. Hiermee kan het grondbereik van een supersonische knal bepaald worden. Hoe kunnen we weten hoe sterk een supersonische knal zal zijn? Hiervoor moeten we de befaamde Navier-Stokes-vergelijkingen oplossen, om het verschil in luchtdruk te weten te komen dat wordt veroorzaakt door het passeren van het supersonische vliegtuig. Dit leidt tot een drukbeeld wat bekend staat als de N-golf. Wat betekent deze vorm? De supersonische knal treedt op wanneer de druk plotseling verandert. De N-golf veroorzaakt twee knallen: één voor de initiële stijging van de druk aan de neus van het vliegtuig, en nog een wanneer de staart voorbijgaat en de druk plotseling weer normaal is. Dit zorgt voor een dubbele knal, maar mensen horen het gewoonlijk als een enkele knal. In de praktijk kunnen computermodellen met gebruik van deze principes vaak de locatie en intensiteit van supersonische knallen voorspellen, gegeven de vliegroute en de atmosferische gesteldheid. Er is ook lopend onderzoek naar het verzachten van de uitwerkingen. Supersonische vluchten over land blijven intussen verboden. Zijn supersonische knallen dus een recent fenomeen? Niet echt. Terwijl we manieren zoeken om ze te dempen, hebben enkele andere dieren de knallen in hun voordeel gebruikt. De gigantische Diplodocus kon misschien zijn staart sneller dan het geluid laten knallen, met meer dan 1200 km/u, mogelijk om roofdieren af te schrikken. Sommige garnaalsoorten kunnen onder water ook een soortgelijke schokgolf creëren die een prooi vanaf een afstand kan verlammen of zelfs doden met een enkele knip van hun buitenmaatse schaar. Dus hoewel de mens grote vooruitgang heeft geboekt in zijn jacht naar snelheid, blijkt het dat Moeder Natuur ons voor was.