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.
Prędkość od wieków fascynuje ludzkość. Postęp od zawsze wiązał się ze nieustannym wzrostem prędkości, a jednym z najważniejszych osiągnięć w tym historycznym wyścigu było przełamanie bariery dźwięku. Tuż po pierwszych udanych lotach ich szybkość stała się dla pilotów bardzo ważna. Ale im szybszy był lot, tym więcej było turbulencji a siły działające na samolot uniemożliwiały wzrost jego prędkości. Niektórzy próbowali obejść problem poprzez ryzykowne nurkowania, często z tragicznym skutkiem. Wreszcie w 1947 roku ulepszenia konstrukcyjne, jak ruchomy stabilizator poziomy, czyli ruchomy ogon, pozwoliły amerykańskiemu pilotowi wojskowemu Chuckowi Yeagerowi polecieć samolotem Bell X-1 z prędkością 1127 kilometrów na godzinę i zostać pierwszą osobą, która przełamała barierę dźwięku i poruszała się szybciej niż prędkość dźwięku. Bell X-1 był pierwszym z wielu samolotów naddźwiękowych, a dalsze ulepszenia pozwoliły mu osiągnąć prędkość powyżej trzech machów. Samolot poruszający się z prędkością ponaddźwiękową wytwarza falę uderzeniową z odgłosem przypominającym grzmot, znany jako grom dźwiękowy, który może nawet wywołać krzywdę ludziom lub zwierzętom a nawet uszkodzić budynki. Z tego powodu naukowcy z całego świata badają gromy dźwiękowe, próbując przewidzieć ich trajektorię w atmosferze, miejsce lądowania i głośność. Żeby lepiej zrozumieć, jak naukowcy badają gromy dźwiękowe, zacznijmy od podstaw dźwięku. Wyobraź sobie, że wrzucasz kamyk do spokojnego stawu. Co widzisz? Kamień powoduje, że fale przemieszczają się w wodzie z taką samą prędkością w każdym kierunku. Te rosnące kręgi to fronty falowe. Podobnie, chociaż tego nie widzimy, stacjonarne źródło dźwięku, jak domowe stereo, tworzy fale dźwiękowe rozchodzące się na zewnątrz. Prędkość fal zależy od czynników typu wysokość i temperatura powietrza, przez które się poruszają. Prędkość dźwięku na poziomie morza wynosi około 1225 km/h. Ale w przeciwieństwie do okręgów na płaskiej powierzchni, fronty falowe są koncentrycznymi kulami, gdzie dźwięk rozchodzi się wzdłuż promieni prostopadłych do fal. Teraz wyobraź sobie ruchome źródło dźwięku, jak gwizdek pociągu. Ponieważ źródło wciąż się porusza w określonym kierunku, rząd fal przed nim staje się zagęszczony. Zwiększona częstotliwość fal jest przyczyną słynnego efektu Dopplera, gdzie zbliżające się obiekty wydają wyższy dźwięk. Ale dopóki źródło porusza się wolniej niż same fale dźwiękowe, pozostaną zagnieżdżone w sobie. Dopiero gdy obiekt przechodzi w stan ponaddźwiękowy i porusza się szybciej niż dźwięk, który wydaje, sytuacja radykalnie się zmienia. Wyprzedzając emitowane przez siebie fale dźwiękowe i generując nowe z obecnej pozycji, fale są spychane razem, tworząc stożek Macha. Obserwator nie słyszy dźwięku, kiedy zbliża się stożek, bo obiekt porusza się szybciej niż dźwięk, który wydaje. Dopiero po przejściu obiektu obserwator usłyszy grom dźwiękowy. W miejscu zetknięcia z ziemią stożek Macha tworzy hiperbolę, pozostawiając w trakcie ruchu do przodu ślad przypominający “dywan gromowy”. To pozwala określić obszar, na który oddziałuje grom dźwiękowy. A co z określeniem jego siły? Wymaga to rozwiązania słynnego układu równań Naviera-Stokesa, znalezienia zmiany ciśnienia w powietrzu z powodu ruchu naddźwiękowego samolotu. Rezultatem jest sygnatura ciśnienia znana jako fala N. Co oznacza ten kształt? Grom dźwiękowy pojawia się, kiedy następuje nagła zmiana ciśnienia, a fala w kształcie litery N opisuje dwa gromy. Jeden dla początkowego wzrostu ciśnienia na dziobie samolotu, a drugi po przejściu sekcji ogonowej, kiedy ciśnienie nagle wraca do normy. Powoduje to podwójny grom, ale ludzkie ucho zwykle postrzega go jako jeden. W praktyce modele komputerowe wykorzystujące te zasady często potrafią przewidzieć lokalizację i intensywność gromów dźwiękowych dla danych warunków atmosferycznych i trajektorii lotu. Cały czas trwają też badania, aby złagodzić ich skutki. Obecnie loty naddźwiękowe nad lądem są zabronione. Czy więc gromy dźwiękowe są czymś nowym? Nie całkiem. Podczas gdy szukamy sposobów na ich uciszenie, inne zwierzęta wykorzystały gromy dźwiękowe na swoją korzyść. Gigantyczny diplodok potrafił trzasnąć ogonem szybciej niż dźwięk z prędkością ponad 1200 km/h zapewne w celu odstraszenia drapieżnika. Niektóre rodzaje krewetek też mogą tworzyć podobną falę uderzeniową pod wodą, ogłuszającą, a nawet zabijającą drapieżnika z dystansu jednym pstryknięciem ich przerośniętych szczypiec. Choć więc ludzie zrobili ogromne postępy w nieustannej pogoni za prędkością, okazuje się, że natura była szybsza.