وقتی عبارت "حد صدا" را می شنویم به چه چیزی فکر می کنیم؟ محدودیت و مانع خاصی که غلبه بر آن می تواند به شدت بر شنوایی و تندرستی تأثیر بگذارد. معمولا دیوار صوتی با تسخیر حریم هوایی و حرفه یک خلبان همراه است.
غلبه بر این مانع می تواند باعث ایجاد بیماری های مزمن، سندرم های درد و واکنش های آلرژیک شود. آیا این برداشت ها درست است یا کلیشه ای است؟ آیا آنها مبنای واقعی دارند؟ دیوار صوتی چیست؟ چگونه و چرا رخ می دهد؟ در این مقاله سعی خواهیم کرد همه اینها و برخی نکات ظریف اضافی و همچنین حقایق تاریخی مرتبط با این مفهوم را دریابیم.
این علم اسرارآمیز آیرودینامیک است
در علم آیرودینامیک، که برای توضیح پدیده هایی که همراه با حرکت یک هواپیمای
طراحی شده است، مفهوم "حفاظ صوتی" وجود دارد. این یک ردیف استپدیده‌هایی که در طول حرکت هواپیماهای مافوق صوت یا موشک‌هایی که با سرعتی نزدیک به سرعت صوت یا بیشتر حرکت می‌کنند رخ می‌دهد.
موج ضربه ای چیست؟
در طول جریان مافوق صوت در اطراف دستگاه، یک موج ضربه ای در تونل باد ایجاد می شود. آثار آن حتی با چشم غیر مسلح نیز قابل مشاهده است. روی زمین با خط زرد مشخص شده اند. خارج از مخروط موج ضربه، جلوی خط زرد، روی زمین، هواپیما حتی شنیده نمی شود. با سرعتی بیش از صوت، اجسام در معرض جریانی در اطراف جریان صدا قرار می گیرند که مستلزم یک موج ضربه ای است. بسته به شکل بدن ممکن است بیش از یکی باشد.
تغییر موج شوک
قسمت جلویی موج ضربه ای، که گاهی اوقات موج ضربه ای نامیده می شود، ضخامت نسبتا کمی دارد، که با این وجود امکان ردیابی تغییرات ناگهانی در خواص جریان، کاهش سرعت آن را نسبت به جسم و افزایش متناظر در فشار و دمای گاز در جریان. در این حالت انرژی جنبشی تا حدی به انرژی داخلی گاز تبدیل می شود. تعداد این تغییرات مستقیماً به سرعت جریان مافوق صوت بستگی دارد. با دور شدن موج ضربه ای از دستگاه، افت فشار کاهش می یابد و موج ضربه ای به صدا تبدیل می شود. او می تواند به یک ناظر خارجی برسد که صدای مشخصی شبیه انفجار را بشنود. عقیده ای وجود دارد که این نشان می دهد که دستگاه به سرعت صوت رسیده است، زمانی که دیوار صوتی توسط هواپیما پشت سر گذاشته شود.
واقعاً چه خبر است؟
به اصطلاح لحظهغلبه بر دیوار صوتی در عمل، عبور یک موج شوک با صدای فزاینده موتورهای هواپیما است. اکنون دستگاه جلوتر از صدای همراه است، بنابراین صدای زمزمه موتور پس از آن شنیده می شود. نزدیک شدن سرعت هواپیما به سرعت صوت در طول جنگ جهانی دوم ممکن شد، اما در همان زمان، خلبانان به علائم هشدار در عملکرد هواپیما اشاره کردند.
بعد از پایان جنگ، بسیاری از طراحان و خلبانان هواپیما به دنبال رسیدن به سرعت صوت و شکستن دیوار صوتی بودند، اما بسیاری از این تلاش ها به طرز غم انگیزی پایان یافت. دانشمندان بدبین استدلال کردند که نمی توان از این حد فراتر رفت. به هیچ وجه تجربی، بلکه علمی، می‌توان ماهیت مفهوم سد صوتی را توضیح داد و راه‌هایی برای غلبه بر آن یافت.
توصیه های استنباط شده برای پرواز ایمن
پروازهای ایمن با سرعت فراصوت و مافوق صوت در صورت اجتناب از بحران موج امکان پذیر است که وقوع آن به پارامترهای آیرودینامیکی هواپیما و ارتفاع پرواز بستگی دارد. انتقال از یک سطح سرعت به سطح دیگر باید در سریع ترین زمان ممکن با استفاده از پس سوز انجام شود، که به جلوگیری از پرواز طولانی در منطقه بحران موج کمک می کند. بحران موج به عنوان یک مفهوم از حمل و نقل آبی ناشی شد. در زمان حرکت کشتی ها با سرعتی نزدیک به سرعت امواج روی سطح آب بوجود آمد. وارد شدن به بحران موج، دشواری افزایش سرعت را به همراه دارد و اگر غلبه بر بحران موج تا حد امکان ساده باشد، می توانید بهحالت صاف یا لغزش روی سطح آب.
تاریخچه در کنترل هواپیما
اولین فردی که به سرعت پرواز مافوق صوت در یک هواپیمای آزمایشی دست یافت، خلبان آمریکایی چاک یگر است. دستاورد او در تاریخ 14 اکتبر 1947 ذکر شده است. در قلمرو اتحاد جماهیر شوروی، سد صوتی در 26 دسامبر 1948 توسط سوکولوفسکی و فدوروف که با یک جنگنده باتجربه پرواز کردند غلبه کرد.
از هواپیماهای غیرنظامی، هواپیمای مسافربری داگلاس DC-8 اولین باری بود که دیوار صوتی را شکست که در 21 اوت 1961 به سرعت 1.012 ماخ یا 1262 کیلومتر در ساعت رسید. ماموریت جمع آوری داده ها برای طراحی بال بود. در میان این هواپیماها، رکورد جهانی توسط موشک هوا به زمین مافوق صوت که در خدمت ارتش روسیه است، ثبت شد. این موشک در ارتفاع 31.2 کیلومتری به سرعت 6389 کیلومتر در ساعت رسید.
50 سال پس از شکستن دیوار صوتی در هوا، اندی گرین انگلیسی به دستاوردی مشابه در ماشین دست یافت. در سقوط آزاد جو کیتینگر آمریکایی تلاش کرد تا این رکورد را بشکند که ارتفاع 31.5 کیلومتری را فتح کرد. امروز در 14 اکتبر 2012 فلیکس باومگارتنر بدون کمک وسیله نقلیه در سقوط آزاد از ارتفاع 39 کیلومتری با شکستن دیوار صوتی رکورد جهانی را به نام خود ثبت کرد. در همان زمان سرعت آن به 1342.8 کیلومتر در ساعت رسید.
غیرعادی ترین شکستن دیوار صوتی
فکر کردن عجیب است، اما اولین اختراع جهان،غلبه بر این محدودیت، شلاق معمولی بود که تقریباً 7 هزار سال پیش توسط چینی های باستان اختراع شد. تقریباً تا زمان اختراع عکاسی فوری در سال 1927، هیچ کس مشکوک نبود که ترک یک شلاق یک بوم صوتی مینیاتوری است. یک چرخش تیز یک حلقه تشکیل می دهد و سرعت به شدت افزایش می یابد که کلیک را تأیید می کند. سد صوتی با سرعتی در حدود 1200 کیلومتر در ساعت غلبه می‌کند.
معمای پر سر و صداترین شهر
جای تعجب نیست که ساکنان شهرهای کوچک با دیدن پایتخت برای اولین بار شوکه می شوند. فراوانی حمل و نقل، صدها رستوران و مرکز تفریحی باعث سردرگمی و ناآرامی می شود. تاریخ آغاز بهار در پایتخت معمولاً آوریل است، نه مارس کولاک سرکش. در ماه آوریل، آسمان صاف است، نهرها جاری می شوند و جوانه ها باز می شوند. مردم خسته از زمستان طولانی پنجره های خود را به سمت خورشید باز می کنند و صدای خیابان به داخل خانه ها می پیچد. پرندگان در خیابان با صدایی کر کننده صدای جیر جیر می کنند، هنرمندان آواز می خوانند، دانش آموزان شاد شعر می خوانند، البته صدایی که در ترافیک و مترو وجود دارد. کارمندان بخش های بهداشت خاطرنشان می کنند که ماندن در یک شهر پر سر و صدا برای مدت طولانی ناسالم است. پس زمینه صوتی پایتخت از حمل و نقل،
هوا، صداهای صنعتی و خانگی تشکیل شده است. مضرترین آنها فقط صدای ماشین است، زیرا هواپیماها به اندازه کافی بلند پرواز می کنند و سر و صدای شرکت ها در ساختمان های آنها حل می شود. صدای زمزمه مداوم خودروها در بزرگراه های به خصوص شلوغ دو برابر بیشتر از همه هنجارهای مجاز است. عبور از دیوار صوتی در پایتخت چگونه است؟ مسکو به دلیل صداهای فراوان خطرناک است، بنابراین ساکنان پایتخت در حال نصب پنجره های دو جداره برای خفه کردن صدا هستند.
چگونه دیوار صوتی شکسته می شود؟
تا سال 1947، هیچ داده واقعی در مورد رفاه فردی در کابین هواپیمای که سریعتر از صدا پرواز می کند، وجود نداشت. همانطور که معلوم شد، شکستن دیوار صوتی به قدرت و شجاعت خاصی نیاز دارد. در طول پرواز مشخص می شود که هیچ تضمینی برای زنده ماندن وجود ندارد. حتی یک خلبان حرفه ای نیز نمی تواند با اطمینان بگوید که آیا طراحی هواپیما در برابر حمله عناصر مقاومت می کند یا خیر. در عرض چند دقیقه، هواپیما می تواند به سادگی از هم بپاشد. چه چیزی این را توضیح می دهد؟ لازم به ذکر است که حرکت با سرعت مادون صوت امواج صوتی ایجاد می کند که مانند دایره هایی از یک سنگ افتاده پراکنده می شوند. سرعت مافوق صوت امواج ضربه ای را تحریک می کند و فردی که روی زمین می ایستد صدایی شبیه به انفجار می شنود. بدون رایانه‌های قدرتمند، حل معادلات دیفرانسیل پیچیده دشوار بود و باید به مدل‌های دمیدن در تونل‌های باد تکیه کرد. گاهی اوقات با شتاب ناکافی هواپیما، موج ضربه به حدی می رسد که پنجره ها از خانه هایی که هواپیما بر فراز آنها پرواز می کند به بیرون پرواز می کند. همه نمی توانند بر سد صوتی غلبه کنند، زیرا در این لحظه کل ساختار در حال لرزش است، بست های دستگاه می توانند آسیب قابل توجهی دریافت کنند. بنابراین، سلامت و ثبات عاطفی برای خلبانان بسیار مهم است. اگر پرواز صاف باشد و مانع صوتی با بیشترین سرعت ممکن برطرف شود، نه خلبان و نه مسافران احتمالی احساسات ناخوشایندی را احساس نمی کنند. به خصوص برای فتح دیوار صوتی، یک هواپیمای تحقیقاتی در ژانویه 1946 ساخته شد. ایجاد ماشین بودبه دستور وزارت دفاع آغاز شد، اما به جای سلاح، با تجهیزات علمی که عملکرد مکانیزم ها و دستگاه ها را نظارت می کرد، پر شد. این هواپیما مانند یک موشک کروز مدرن با موتور موشک داخلی بود. هواپیما با حداکثر سرعت 2736 کیلومتر در ساعت دیوار صوتی را شکست.
آثار لفظی و مادی برای تسخیر سرعت صوت
موفقیت ها در شکستن دیوار صوتی امروز بسیار ارزشمند است. بنابراین، هواپیمایی که چاک یگر برای اولین بار بر آن غلبه کرد، اکنون در موزه ملی هوا و فضا، که در واشنگتن قرار دارد، به نمایش گذاشته شده است. اما پارامترهای فنی این اختراع انسانی بدون شایستگی های خود خلبان ارزش کمی خواهد داشت. چاک یگر مدرسه پرواز را گذراند و در اروپا جنگید و پس از آن به انگلستان بازگشت. تعلیق ناعادلانه از پرواز روحیه یگر را نشکست و او قرار ملاقاتی با فرمانده کل نیروهای اروپا گرفت. در سالهای باقی مانده تا پایان جنگ، یگر در 64 سورتی پرواز شرکت کرد و طی آن 13 هواپیما را ساقط کرد. چاک یگر با درجه کاپیتانی به کشورش بازگشت. ویژگی های او نشان دهنده شهود فوق العاده، خونسردی و استقامت باورنکردنی در موقعیت های بحرانی است. یگر بیش از یک بار در هواپیمای خود رکورد زد. شغل بعدی او در نیروی هوایی بود و در آنجا خلبانان را آموزش داد. آخرین باری که چاک یگر دیوار صوتی را شکست 74 ساله بود که در پنجاهمین سالگرد تاریخ پرواز او و در سال 1997 بود.
وظایف پیچیده سازندگان هواپیمادستگاه
هواپیمای مشهور جهانی MiG-15 در لحظه ای شروع به ساخت کرد که توسعه دهندگان متوجه شدند که نمی توان تنها بر اساس شکستن دیوار صوتی استوار بود، اما مشکلات فنی پیچیده باید حل شود. در نتیجه، ماشینی به قدری موفق ایجاد شد که تغییرات آن توسط کشورهای مختلف پذیرفته شد. چندین دفتر طراحی مختلف وارد نوعی مبارزه رقابتی شدند که جایزه آن ثبت اختراع برای موفق ترین و کاربردی ترین هواپیما بود. هواپیماهای توسعه یافته با بال های جارو شده، که انقلابی در طراحی آنها بود. دستگاه ایده آل باید قدرتمند، سریع و فوق العاده مقاوم در برابر هر گونه آسیب خارجی باشد. بال های جارو شده هواپیما به عنصری تبدیل شد که به آنها کمک کرد سرعت صوت را سه برابر کنند. علاوه بر این، سرعت هواپیما به افزایش خود ادامه داد که با افزایش قدرت موتور، استفاده از مواد خلاقانه و بهینه سازی پارامترهای آیرودینامیکی توضیح داده شد. شکستن دیوار صوتی حتی برای افراد غیرحرفه ای نیز ممکن و واقعی شده است، اما به این دلیل از خطر کمتری برخوردار نیست، بنابراین هر جوینده افراطی باید قبل از تصمیم گیری در مورد چنین آزمایشی، نقاط قوت خود را به طور معقول ارزیابی کند.
