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.
มนุษย์หลงใหลความเร็วมาเนิ่นนานแล้ว สิ่งหนึ่งในประวัติศาสตร์ความก้าวหน้าของมนุษย์ คือการเพิ่มความเร็วให้มากยิ่งขึ้น และหนึ่งในความสำเร็จที่สำคัญที่สุด ของความพยายามที่ยาวนานนี้ คือการทำลายกำแพงเสียงลงให้ได้ ไม่นานนักหลังจากการนำเครื่องบิน ขึ้นบินได้สำเร็จเป็นครั้งแรก นักบินต่างต้องการ ที่จะให้เครื่องบินบินให้เร็วขึ้นและเร็วขึ้นไปอีก แต่เมื่อทำเช่นนั้นแล้ว จะทำให้เครื่องบินสั่นมากขึ้น แรงกดมหาศาลต่อเครื่องบิน ทำให้พวกเขาเร่งความเร็วขึ้นไปอีกไม่ได้ บางคนพยายามแก้ปัญหา ด้วยการลองเสี่ยงดำลงไปในน้ำ แต่ก็มักได้ผลลัพท์ที่น่าเศร้า ในที่สุด ในปี ค.ศ. 1947 มีการออกแบบที่ดีมากยิ่งขึ้น เช่นมีที่ปรับตัวปรับสมดุลระดับแนวนอนเคลื่อนที่ได้ และหางเสือที่เคลื่อนไหวได้ทั้งหมด ทำให้ทหารอากาศชาวอเมริกันที่ชื่อว่า ชัค เยเกอร์ นำเครื่องบิน เบลล์ เอ็กซ์วัน บินที่ความเร็ว 1,127 กิโลเมตรต่อชั่วโมงได้สำเร็จ กลายเป็นมนุษย์คนแรก ที่ทำลายกำแพงเสียงลงได้ และเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าความเร็วเสียง เบลล์ เอ็กซ์วัน เป็นเครื่องบินเหนือเสียงลำแรก ก่อนที่จะมีรุ่นอื่น ๆ ตามมา โดยรุ่นล่าสุดทำความเร็วเหนือเสียง ไปได้มากกว่า 3 มัคแล้ว เครืองบินที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเสียง จะสร้างคลื่นกระแทกออกมา ด้วยเสียงดังราวกับฟ้าผ่า ที่รู้จักกันในชื่อว่า คลื่นโซนิคบูม ที่อาจไปรบกวนคนและสัตว์ที่อยู่ด้านล่าง หรือแม้กระทั่งสร้างความเสียหาย ให้กับบ้านเรือน ด้วยเหตุผลนี้เอง นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกจึงสนใจคลื่นโซนิคบูมนี้ โดยพยายามทำนายเส้นทางของมันในบรรยากาศ ที่ที่มันจะตกกระทบ และระดับเสียงของมัน เพื่อให้เข้าใจได้ดีขึ้นว่า นักวิทยาศาสตร์ ศึกษาเรื่องของคลื่นโซนิคบูมอย่างไร เรามาเริ่มจากพื้นฐาน การกำเนิดของเสียงกันก่อน ลองคิดว่า เราโยนก้อนหินเล็ก ๆ ลงไปในบ่อน้ำที่สงบนิ่งดู เห็นอะไรไหม ก้อนหินทำให้เกิดคลื่นเดินทางไปในน้ำ ด้วยความเร็วเท่า ๆ กันในทุกทิศทาง วงกลมที่ใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆในทุกทิศทางนี้ เรียกว่าแนวคลื่น คล้ายกัน แม้เราจะมองไม่เห็นมันก็ตาม แหล่งต้นกำเนิดเสียงของมัน ก็คล้ายกับเครื่องเสียงภายในบ้าน สร้างคลื่นเสียงที่เดินทางออกมาเรื่อย ๆ ความเร็วคลื่นขึ้นอยู่กับปัจจัยต่าง ๆ รวมถึงระดับความสูงและอุณหภูมิของอากาศ ที่มันเคลื่อนที่ผ่านไป ที่ระดับน้ำทะเล เสียงเคลื่อนที่เร็วประมาณ 1,225 กิโลเมตรต่อชั่วโมง แต่แทนที่จะเป็นวงกลมบนพื้นผิวสองมิติ ตอนนี้หน้าคลื่นมีศูนย์กลางเป็นทรงกลม โดยมีเสียงที่เดินทางไปตามแนวรังสี ที่ตั้งฉากกับแนวคลื่นเหล่านี้ มาลองคิดถึงแหล่งกำเนิดเสียงที่เคลื่อนที่ อย่างนกหวีดรถไฟดู เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงกำลังเคลื่อนที่ ไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง คลื่นด้านหน้าของมันที่มีความต่อเนื่อง จะทำให้คลื่นรวมใกล้กันมากขึ้น คลื่นความถี่ที่สูงขึ้นนี้ ทำให้เกิดปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ที่โด่งดัง ที่ยิ่งวัตถุนั้นเข้าใกล้มากเท่าไหร่ ก็จะยิ่งมึเสียงแหลมสูงมากขึ้นเท่านั้น แต่ตราบใดที่ต้นเสียงยังเคลื่อนที่ช้ากว่า คลื่นเสียงที่มันสร้างขึ้น พวกมันจะซ้อนยู่ภายในซึ่งกันและกัน แต่เมื่อวัตถุกลายเป็นซุปเปอร์โซนิค ที่เคลื่อนที่ได้เร็วกว่าเสียงที่มันสร้าง นั่นทำให้เกิดความแตกต่างขึ้นอย่างมาก ในขณะที่มันแซงหน้าคลื่นที่มันได้ปล่อยออกมา ระหว่างนั้นมันก็สร้างคลื่นขึ้นใหม่ ณ ตำแหน่งที่มันอยู่ คลื่นจะถูกอัดเข้าด้วยกันกลายเป็นกรวยหน้าคลื่นมัค (Mach cone) ผู้สังเกตุการณ์จะไม่ได้ยินเสียงใด ๆ ในขณะที่มันเข้ามาใกล้ เพราะวัตถุเคลื่อนที่เร็วกว่า เสียงที่มันสร้างขึ้นมา หลังจากวัตถุผ่านไป ผู้สังเกตุการณ์ถึงจะได้ยินเสียงโซนิคบูมนี้ เมื่อกรวยมัคกระทบกับพื้นดิน มันจะสร้างไฮเพอร์โบลาขึ้นมา ทิ้งหางที่รู้จักกันในชื่อว่าหางพรม (boom carpet) เมื่อมันเคลื่อนที่ไปข้างหน้า นี่จึงทำให้เราสามารถวัดพื้นที่ ที่ได้รับผลกระทบของโซนิคบูมได้ แล้วจะหาความแรง ของคลื่นโซนิคบูมได้อย่างไรล่ะ มันต้องใช้การแก้ปัญหาสมการนาเวียร์-สโตกส์ ที่มีชื่อเสียง เพื่อค้นหาความแปรผันของความกดอากาศ อันเนื่องมาจากการบินผ่าน ของเครื่องบินเหนือเสียง ผลลัพธ์ก็คือคลื่นที่เป็นเอกลักษณ์ ที่เรียกว่า เอ็นเวฟ (N-wave) รูปร่างนี้มีความหมายว่าอย่างไร โซนิคบูมเกิดขึ้น เมื่อความดันเกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว และเอ็นเวฟเกี่ยวข้องกับโซนิคบูมสองครั้ง ส่วนแรกคือความดันแรก ที่เพิ่มขึ้นบริเวณส่วนปลายหัวของเครื่องบิน และอีกส่วนที่หางที่ผ่านเข้ามา และความดันก็กลับไปสู่ปกติในทันที มันจึงทำให้เกิดโซนิคบูมสองครั้ง แต่หูมนุษย์มักจะได้ยินเพียงครั้งเดียวเท่านั้น ในทางปฎิบัติ ตัวอย่างจำลองในคอมพิวเตอร์ ที่ใช้หลักการเดียวกันนี้ สามารถคาดการณ์ตำแหน่ง และความเข้มของโซนิคบูมได้ ในแต่ละสภาพบรรยากาศและวิถีการบิน และก็มีการวิจัยที่กำลังศึกษา เพื่อลดผลกระทบผลของมัน ระหว่างนี้ เครื่องบินเหนือเสียง ยังคงถูกห้ามบินเหนือผืนดิน แล้วโซนิคบูมเป็นสิ่งใหม่ ที่เพิ่งถูกสร้างขึ้นใช่ไหม ก็ไม่ใช่เสียทีเดียว ในขณะที่เรากำลังพยายามหาทาง ทำให้มันเงียบลงอยู่นั้น สัตว์บางชนิดใช้คลื่นเหนือเสียงนี้ ให้เป็นประโยชน์ ไดโนเสาร์ ไดพลอโดคัส อาจสามารถสะบัดหางของมัน ด้วยความเร็วเหนือเสียงที่มากกว่า 1,200 กิโลเมตรต่อขั่วโมงเพื่อไล่นักล่า กุ้งบางชนิดสามารถสร้างสิ่งที่คล้ายกันนี้ อย่างคลื่นกระแทกใต้น้ำ ทำให้เหยื่อหยุดค้างอยู่กับที่ หรือทำให้เหยื่อตายในระยะไกล เพียงแค่ดีดก้ามใหญ่โตของมันเท่านั้น ในขณะที่มนุษย์กำลังพัฒนา สุดยอดความก้าวหน้านี้ขึ้นมา ด้วยการแสวงหาความรวดเร็วอย่างไม่หยุดยั้ง กลับกลายเป็นว่าธรรมชาติทำได้ก่อนแล้ว