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.
Con người đã có hứng thú với tốc độ từ rất lâu. Lịch sử tiến hóa của con người gắn liền với một tốc độ tăng liên tục, và một trong những thành tựu quan trọng nhất trong tiến trình lịch sử đó là phá vỡ hàng rào âm thanh. Không lâu sau khi chiếc phi cơ đầu tiên thành công, các phi công đã luôn khao khát làm cho máy bay của họ ngày một nhanh hơn. Nhưng khi họ làm vậy lại càng tăng thêm sự hỗn loạn và lực tác động lên máy bay, điều đó làm ngăn chặn máy bay bay nhanh hơn. Một số đã thử giải quyết vấn đề bằng cách thực hiện những cú nhào lộn nguy hiểm thường dẫn đến hậu quả nghiêm trọng. Cuối cùng, vào năm 1947, bản thiết kế được cải tiến như bộ thăng bằng ngang di động, đuôi di động, phi công người Mỹ Chuck Yeager đã lái chiếc máy bay Bell X-1 với vận tốc 1127km/h, trở thành người đầu tiên phá vỡ hàng rào âm thanh và di chuyển nhanh hơn cả tốc độ âm thanh. Chiếc Bell X-1 là một trong những chiếc máy bay siêu thanh đầu tiên được thực hiện và các thiết kế sau đã đạt được tới tốc độ số Mach 3( tốc độ siêu thanh) Ở tốc độ siêu âm máy bay sẽ tạo ra sóng xung kích với tiếng động lớn như sấm chớp được biết đến là một quả bom âm thanh, nó có thể gây nguy hiểm cho người và động vật bên dưới. hoặc thậm chí phá vỡ các tòa nhà. Bởi vậy, các nhà khoa học trên thể giới vẫn đang tìm kiếm các quả bom âm thanh và cố gắng tìm ra đường đi của chúng trong khí quyển nơi mà chúng sẽ truyền xuống mặt đất và biên độ của chúng. Để hiểu rõ thêm về cách các nhà khoa học nghiên cứu bom âm thanh, hãy bắt đầu với một vài điều cơ bản về âm thanh. Thử tưởng tượng khi ta ném một hòn đá xuống một mặt hồ phẳng lặng. Bạn có thấy điều gì? Hòn đá ấy tạo nên các gợn sóng với cùng tốc độ ở các hướng khác nhau. Những vòng tròn có bán kính tăng dần này được gọi là sóng phẳng. Cũng tương tự vậy, tuy ta không thể thấy, một nguồn phát âm, như máy radio cũng tạo nên các sóng di chuyển như vậy. Tốc độ của các sóng ấy phụ thuộc các yếu tố như độ cao, nhiệt độ trong không khí nơi chúng di chuyển qua Ở mực nước biển, tốc độ âm thanh khoảng 1225 km/h. Thay vì các vòng tròn trong mặt phẳng hai chiều, các sóng phẳng bây giờ là các khối cầu đồng tâm, và âm thanh chuyển động theo các tia vuông góc với các sóng này. Còn giờ hãy tưởng tượng tới nguồn âm di động như là tiếng còi tàu hỏa. Khi nguồn âm di chuyển về một phía cố định những sóng liên tiếp ở trước nó sẽ bị ép lại sát nhau hơn. Những tần số âm lớn này là hệ quả của một hiệu ứng nổi tiếng: Doppler khi mà những vật phát ra âm thanh với cao độ cao hơn. Nhưng miễn là nguồn âm chuyển động chậm hơn sóng âm của chúng, chúng vẫn lồng vào nhau như bình thường. Khi một vật trở thành siêu thanh, di chuyển nhanh hơn âm thanh chúng phát ra thì sự việc thay đổi đáng kể. Vì nó vượt qua sóng âm mà nó phát ra, trong khi vẫn phát ra sóng âm ở vị trí hiện tại, các sóng âm dồn lại với nhau, tạo nên hình nón Mach. Khi nó tiến gần tới, người quan sát sẽ không nghe được gì cả vì nó đi nhanh hơn âm thanh mà nó phát ra. Chỉ sau khi vật ấy đi qua, người quan sát sẽ nghe được âm thanh cực lớn. Khi hình nón Mach tới mặt đất, nó tạo nên hình hy-bec-bôn, để lại một vệt gọi là thảm bom khi nó di chuyển về trước. Điều này cho phép ta xác định được vùng chịu ảnh hưởng bởi bom âm thanh. Vậy làm sao để biết được sức mạnh của bom âm thanh? Ta phải giải được phương trình Navier - Stokes nổi tiếng để tìm được sự thay đổi áp suât trong không khí khi máy bay siêu thanh bay ngang qua. Điều này dẫn đến dấu hiệu áp suât sóng N. kí hiệu này có ý nghĩa gì? Bom âm thanh xảy ra khi có sự thay đổi bất ngờ về áp suất, và sóng N liên quan tới cả 2 âm thanh lớn: một khi áp suất bắt đầu tăng ở mũi máy bay và cái còn lại là khi đuôi máy bay đi qua, và áp suất bất ngờ trở lại như cũ. Điều này gây ra âm thanh kép lớn, nhưng đối với người thường chỉ là 1 lần. Trong thực tế, máy tính mẫu dùng các nguyên lí này để dự đoán vị trí và độ mạnh của bom âm thanh từ các điều kiện không khí và đường bay đã cho, từ đó nghiên cứu cách giảm nhẹ hậu quả của chúng. Trong lúc ấy, những chuyến bay siêu thanh xuyên lục địa vẫn bị cấm. Vậy, bom âm thanh có phải sự sáng tạo mới đây không? Không hẳn thế. Khi chúng ta đang tìm cách làm chúng yên lặng một vài loài động vật đã sử dụng bom âm thanh. Loài khủng long Diplodocus đã có khả năng vẫy đuôi với tốc độ nhanh hơn âm thanh, hơn 1200km/h, để đe dọa kẻ thù. Một số loài tôm cũng có thể tạo ra sóng tương tự ở dưới nước bằng tiếng tách tách từ chiếc càng to lớn của nó để làm choáng hoặc thậm chí giết con mồi ở khoảng cách xa. Trong khi con người vẫn đang có được sự tiến bộ trong những cố gắng không ngừng về tốc độ, thì thiên nhiên đã có được nó từ lâu rồi.