Что происходит при превышении скорости звука

Скорость звука, т.е. скорость, с которой звуковые волны двигаются по воздуху от источника, составляет 1191,6 км/ч. До конца Второй мировой ни один летательный аппарат на планете не мог преодолеть звуковой барьер, в том числе первый в мире реактивный боевой самолет Me.262. Однако в 1947 году пилот Чарльз Йегер совершил полет на ракетном Bell X-1 — аппарат развил скорость 1066 км/ч, которую сочли «сверхзвуковой».

Согласно NASA, сверхзвуковым скоростям присваивают т.н. числа Маха. 1 Мах равен скорости звука, 2 Маха — двум скоростям звука и так далее. Боевые самолеты, вроде F-15 Eagle, могут разгоняться примерно до 2,5 Махов. SR-71 Blackbird, самолет-разведчик эпохи холодной войны, мог набирать скорость более 3 Махов.

Продолжение истории после рекламы

Если говорить о том, что нужно для того, чтобы развить подобную скорость, то секрет в хитрой аэродинамике и огромной мощности. Ме.262 работал на двух двигателях Jumo-004, которые совместно выдавали примерно 1 800 кг тяги. Для контекста, ракетный двигатель на Bell X-1 выдавал 2700 кгс.

Кроме того, важно учитывать сопротивление воздуха. Если выйти на улицу в спокойный денек, то можно подумать, что окружающий воздух — не такое уж и серьезное препятствие, но на больших скоростях он ничем не уступает кирпичной стене. Bell X-1 буквально «прорезал» воздушное пространство благодаря своей форме, похожей на патрон .50 калибра. Сочетание аэродинамической конструкции и мощного двигателя позволило аппарату пробить звуковой барьер.

Когда самолеты преодолевают звуковой барьер, наблюдатели на земле часто слышат громкий шум — его называют сверхзвуковым хлопком. Он происходит из-за того, что самолет, движущийся на огромной скорости, резко перемещает молекулы воздуха. И да, выстрелы из огнестрельного оружия создают шум по той же самой причине.

Люди, которые живут рядом с аэропортами и военными аэродромами, давно привыкли не обращать никакого внимание на пролетающие буквально над головами самолеты. Но сверхзвуковой самолет не заметить сложно, он выдаст себя таким звуком, к которому нельзя привыкнуть. «Рамблер» рассказывает, что такое звуковой удар и чем он отличается от звукового барьера.

На обычном самолете звуковой барьер преодолеть не получится, даже если его разогнать до скорости, близкой к скорости звука, он просто развалится в воздухе. Это связано с тем, что аэродинамика на таких скоростях меняется. Сверхзвуковые самолеты отличаются в первую очередь особой конструкцией крыла, благодаря которой обеспечивается управляемость.

Когда рядом пролетает сверхзвуковой самолет, обычный человек испугается, услышав звук, похожий на взрыв. Тот, кто чуть лучше учил физику в школе и знает, что где-то рядом военный аэродром, скажет, что сверхзвуковой самолет преодолел звуковой барьер и произвел такой звук. Но если самолет на той же высоте и с той же скоростью полетит дальше, то наблюдатель, находящийся на земле в другой точке, тоже услышит этот страшный звук.

Что же происходит? Все дело в том, что люди путают понятия звуковой барьер и звуковой удар. Действительно, когда самолет набирает скорость, превышающую скорость звука, пилоты «чувствуют» этот переход, поскольку меняется аэродинамика и самолет летит «по-другому». Звуковым барьером можно назвать

резкий скачок воздушного сопротивления на скорости, близкой к скорости звука.

Характерный звук, который слышат наблюдатели на земле, правильно называть звуковым ударом. Его будут слышать все наблюдатели, оказавшиеся в разных точках на пути следования самолета. Движущийся со сверхзвуковой скоростью самолет создает ударные волны и скачки воздушного давления. Эти скачки на земле воспринимаются, как хлопки или даже взрывы.

Что бы я хотел, чтобы Вы, мой читатель, знали. А если не знаете, то поверили мне на слово.Первое. Существует закон сохранения энергии и, нравится это кому-то или нет, но его никто не отменял.Второе. Скорость звука в воздухе при «нормальных условиях» постоянна. Чтобы не давать определения «нормальным условиям», скажу так: скорость звука в «чистом поле» постоянна и равна 330 м/сек.И третье. Скорость — величина векторная и её можно разложить на составляющие. Например, Вы в школе решали задачу на движение тела, брошенного под углом к горизонту, и там раскладывали скорость на две составляющие: горизонтальную и вертикальную. Мы воспользуемся этим свойством скорости, но будем раскладывать её на несколько другие направления.Первые два положения будут необходимы нам для понимания, что же такое «звуковой удар».Третье — для описания «звукового удара» при сверхзвуковых скоростях.

И ещё, буквально несколько слов о звуке. Звук — это просто поток энергии, который регистрирует наша барабанная перепонка. И чем больше энергии приходит в единицу времени — тем громче звук. Всё просто! Обращаю Ваше внимание, что нам сейчас не важно, что является источником звука: корпус самолёта или истекающая газовая струя из двигателя. Нашей барабанной перепонке это, как говорится, по барабану! Просто сам самолёт является источником звука. И ещё, пожалуй, следует заметить, что шум от сверхзвукового самолёта существенно выше шума от дозвукового. Ну, да это и ёжику ясно.

Вот мы вышли в чистое поле и давайте договоримся о следующем:1. Мы оба стоим и смотрим в одну сторону.2. Самолёт будет пролетать над нами слева направо.3. Слева от нас, оттуда, откуда появляется самолёт, расположены три деревни: Ближнее Муракино, Среднее Муракино и, — самая дальняя, — Дальнее Муракино. (Мне, честно говоря, неохота было далеко ходить и я Вас вывел в поле у деревни Муракино, что рядом с моей дачей.)4. Кроме положения самолёта над каждой из деревень выделим на небе ещё две точки: точку «зенита» и точку «начала звучания сверхзвукового самолёта». Последняя точка как раз и отображена на рисунке Венедюхина.5. и последнее. Договоримся, что звук, пришедший с левой стороны слышит наше левое ухо, а с правой — правое. Это упрощение ровным счётом ничего не меняет: наши уши, по правде сказать, так и работают, когда определяют с какого направления пришёл звук. Просто при таком подходе всё становится наиболее наглядным.

А теперь «послушаем» два самолёта: один, летящий с существенно дозвуковой скоростью, и другой, например, со скоростью в два раза превышающий скорость звука.

Подведём итог этих двух пролётов.При дозвуковом полёте самолёта наше левое ухо воспринимает увеличивающийся по интенсивности поток звуковой энергии как ПРИБЛИЖЕНИЕ самолёта с левой стороны.При сверхзвуковом полёте самолёта имеем противоположную картину: наше левое ухо воспринимает уменьшающийся по интенсивности поток звуковой энергии как УДАЛЕНИЕ самолёта в левую сторону.А что мы имеем, когда самолёт летит со звуковой скоростью? Догадались? Правильно, вся энергия, которую самолёт, как источник звука (а это — ой, как немало!), испускал от Дальнего Муракино до точки зенита приходит РАЗОМ в левое ухо и мы имеем «звуковой удар».

Я думаю, теперь Вам понятно, почему возникает «звуковой удар».

Но это, так сказать, только первое приближение. Потому что мы, по правде говоря, рассмотрели самолёт, пронёсшийся в нескольких сантиметрах у нас над головами, и скорость которого относительно нас с Вами на всём продолжении полёта от Дальнего Муракина до точки наблюдения была постоянна.

А реальность несколько другая.Рассмотрим сверхзвуковой самолёт, летящий с двойной скоростью звука (как говорят — два Маха) и на высоте где-то 200 метров.Самолёт показался где-то над Дальним Муракино. Это ещё маленькая точка чуть выше горизонта.Разложим скорость самолёта на две составляющие: одна направлена строго на нас с Вами (а мы всё ещё в поле), и она указывает на то, что самолёт приближается к нам, другая, перпендикулярная ей — направлена вверх и соответствует постепенному «поднятию» самолёта к точке зенита.Понятно, что если Дальнее Муракино далеко (а оно далеко), то почти все два Маха направлены на нас, а к зениту направлена совсем маленькая составляющая скорости.Другое дело — точка зенита. В этом случае уже скорость прохождения точки зенита равна двум Махам, а составляющая, направленная на нас с Вами, равна нулю.Таким образом, составляющая скорости самолёта направленная на нас с Вами проходит значение от двух скоростей звука (от двух Махов) до ноля. Понятно, что где-то на отрезке от Дальнего Муракино до точки зенита она достигает и значения скорости звука. Пусть, например, она достигает значения скорости звука над Ближнем Муракино. Обычно в таких случаях думают, что самолёт преодолел «звуковой барьер» над Ближним Муракино, и что если уж у нас так громыхнуло(!), то что в бедном Ближнем Муракине делается! Наверное, хозяйки перепуганную скотину по огородам ловят. Успокойтесь, никто никого не ловит. Это просто для НАШЕЙ точки наблюдения значение СОСТАВЛЯЮЩЕЙ скорости стало равно скорости звука. И произошло простое формирование «ударного звукового пакета», но только для нас, для НАШЕЙ ТОЧКИ НАБЛЮДЕНИЯ. А в Ближнем Муракине всё относительно спокойно: они просто думают, что по «настоящему» то громыхнуло в Среднем Муракине, а им самим повезло. Что думают жители Среднего Муракина про возможные разрушения в Дальнем Муракино, догадаться уже нетрудно.

Если Вы терпеливо дочитали до этого места, то я очень рад. Надеюсь, нас уже двое, тех кто знает, почему полёт сверхзвукового самолёта сопровождается рёвом и грохотом.

И, самое интересное, чтобы это узнать нам не потребовалось никаких аэродинамических труб, продырявленных конусов Маха и корабликов на воде.А понадобился только закон сохранения энергии, о котором каждому посетителю этого сайта предлагаю просто всегда помнить.

Оцените статью
RusPilot.com