Почему при преодолении звукового барьера слышится хлопок?
Наверняка многим приходилось слышать о таинственном звуковом барьере, который преодолевают истребители и бомбардировщики, а также сверхзвуковые ракеты. Что это за барьер, можно ли его увидеть визуально и что является причиной громкого взрывоподобного звука?
Что такое звуковой барьер?
Звуковой барьер в области аэродинамики – это технические трудности, которые возникают в результате явлений, связанных с передвижением летательного аппарата на скорости равной либо превышающей скорость звука. Нужно понимать, что это не реальное препятствие, которое должен преодолеть самолет, будто какую-то невидимую стену, а больше абстрактное понятие. Оно возникло в то время, когда в авиации лишь задумывались о летательных аппаратах, которые могут перемещаться на высокой скорости – сверхзвуковой. Многие даже настаивали на недостижимости подобных результатов. Что такое скорость звука? Скорость звука – это скорость, с которой распространяются упругие волны в определенной среде. Данный показатель меняется в зависимости от среды. Например, скорость звука в воздухе – 331 м/с или 1191,6 км/ч. Преодоление скорости звука Как же происходит преодоление звукового барьера? Самолет взлетает и постепенно разгоняется все сильнее. Его обтекает сверхзвуковой воздушный поток, в результате чего в носовой части образуется ударная волна. Их может быть и несколько – в зависимости от формы летательного аппарата.
В данной области давление и плотность воздушной среды резко повышается. В момент, когда самолет превышает скорость звука, он проходит через эту область и возникает звук громкого хлопка, который похож на выстрел. Пилот в кабине никаких звуков не слышит – о преодолении звукового барьера он узнает только по специальным датчикам. Также ощутимы изменения в плане управления самолетом. Громкий взрывоподобный хлопок – это звуковой удар. Его можно услышать, стоя на поверхности земли, когда самолет летит на сверхзвуковой скорости неподалеку. Ударные волны, которые он образует, визуально можно представить в виде конуса, сопровождающего летательный аппарат. Вершина конуса располагается в носовой части. Волны распространяются от нее на большие расстояния. Слух человека, стоящего на земле, улавливает границы данного воображаемого конуса. Резкий скачок давления воспринимается как взрывообразный хлопок. С момента преодоления барьера звуковой удар постоянно сопровождает самолет. Однако хлопок будет слышно каждый раз, когда он пролетает над фиксированной точкой поверхности. Так как самолет движется быстрее звука, сперва наблюдатель услышит хлопок и только после этого шум двигателя.
Интересный факт: с преодолением звукового барьера часто связывают возникновение белого облака в хвостовой части самолета. Однако к звуковому барьеру оно отношения не имеет. Речь идет об эффекте Прандтля-Глоерта – конденсации влаги сразу за движущимся самолетом.
Проблемы сверхзвукового полета
Как бы ни разгонялся обычный самолет, он не сможет длительное время лететь на сверхзвуковой скорости. Дозвуковые самолеты отличаются более плавными и округленными формами. А при полете на сверхзвуковой скорости возникают иные аэродинамические условия.
Резко увеличивается сопротивление воздуха, корпус самолета нагревается из-за трения. В результате обычный самолет потеряет стабильное управление и может начать разрушаться прямо в воздухе. Активно развиваться сверхзвуковая авиация начала в 50-60-х годах. Первым сверхзвуковым самолетом, который выпускался серийно, стал истребитель North American F-100 Super Sabre. Данная модель впервые совершила полет в 1953 году. Создавались и пассажирские сверхзвуковые самолеты, которые выполняли регулярные рейсы. Но их было всего 2: советский Ту-144 и англо-французский Concorde.
Преимущество таких самолетов – это преодоление больших расстояний за короткий промежуток времени. Также сверхзвуковой самолет перемещается на большей высоте по сравнению с обычными. Соответственно, воздушное пространство не загружено. Но от их использования вскоре отказались из-за нескольких недостатков: ударная волна; большой расход топлива; сложность эксплуатации; шум над аэродромом. Громкий хлопок – это резкий скачок давления перед самолетом, образующийся в момент, когда самолет начинает двигаться со сверхзвуковой скоростью (преодолевает звуковой барьер). Ударная волна, возникающая перед самолетом, распространяется конусообразно. Человек, наблюдающий за полетом самолета, слышит хлопок, когда эта волна достигает его, и только после этого можно услышать работу двигателя. Ударная волна постоянно сопровождает самолет на сверхзвуковой скорости. Однако хлопки будет слышно лишь во время прохождения самолета в определенной точке – поблизости с наблюдателем.
Почему при преодолении звукового барьера слышится хлопок?
Наверняка многим приходилось слышать о таинственном звуковом барьере, который преодолевают истребители и бомбардировщики, а также сверхзвуковые ракеты. Что это за барьер, можно ли его увидеть визуально и что является причиной громкого взрывоподобного звука?
Что такое звуковой барьер?
Звуковой барьер в области аэродинамики – это технические трудности, которые возникают в результате явлений, связанных с передвижением летательного аппарата на скорости равной либо превышающей скорость звука. Нужно понимать, что это не реальное препятствие, которое должен преодолеть самолет, будто какую-то невидимую стену, а больше абстрактное понятие. Оно возникло в то время, когда в авиации лишь задумывались о летательных аппаратах, которые могут перемещаться на высокой скорости – сверхзвуковой. Многие даже настаивали на недостижимости подобных результатов. Что такое скорость звука? Скорость звука – это скорость, с которой распространяются упругие волны в определенной среде. Данный показатель меняется в зависимости от среды. Например, скорость звука в воздухе – 331 м/с или 1191,6 км/ч. Преодоление скорости звука Как же происходит преодоление звукового барьера? Самолет взлетает и постепенно разгоняется все сильнее. Его обтекает сверхзвуковой воздушный поток, в результате чего в носовой части образуется ударная волна. Их может быть и несколько – в зависимости от формы летательного аппарата.
В данной области давление и плотность воздушной среды резко повышается. В момент, когда самолет превышает скорость звука, он проходит через эту область и возникает звук громкого хлопка, который похож на выстрел. Пилот в кабине никаких звуков не слышит – о преодолении звукового барьера он узнает только по специальным датчикам. Также ощутимы изменения в плане управления самолетом. Громкий взрывоподобный хлопок – это звуковой удар. Его можно услышать, стоя на поверхности земли, когда самолет летит на сверхзвуковой скорости неподалеку. Ударные волны, которые он образует, визуально можно представить в виде конуса, сопровождающего летательный аппарат. Вершина конуса располагается в носовой части. Волны распространяются от нее на большие расстояния. Слух человека, стоящего на земле, улавливает границы данного воображаемого конуса. Резкий скачок давления воспринимается как взрывообразный хлопок. С момента преодоления барьера звуковой удар постоянно сопровождает самолет. Однако хлопок будет слышно каждый раз, когда он пролетает над фиксированной точкой поверхности. Так как самолет движется быстрее звука, сперва наблюдатель услышит хлопок и только после этого шум двигателя.
Интересный факт: с преодолением звукового барьера часто связывают возникновение белого облака в хвостовой части самолета. Однако к звуковому барьеру оно отношения не имеет. Речь идет об эффекте Прандтля-Глоерта – конденсации влаги сразу за движущимся самолетом.
Проблемы сверхзвукового полета
Как бы ни разгонялся обычный самолет, он не сможет длительное время лететь на сверхзвуковой скорости. Дозвуковые самолеты отличаются более плавными и округленными формами. А при полете на сверхзвуковой скорости возникают иные аэродинамические условия.
Резко увеличивается сопротивление воздуха, корпус самолета нагревается из-за трения. В результате обычный самолет потеряет стабильное управление и может начать разрушаться прямо в воздухе. Активно развиваться сверхзвуковая авиация начала в 50-60-х годах. Первым сверхзвуковым самолетом, который выпускался серийно, стал истребитель North American F-100 Super Sabre. Данная модель впервые совершила полет в 1953 году. Создавались и пассажирские сверхзвуковые самолеты, которые выполняли регулярные рейсы. Но их было всего 2: советский Ту-144 и англо-французский Concorde.
Преимущество таких самолетов – это преодоление больших расстояний за короткий промежуток времени. Также сверхзвуковой самолет перемещается на большей высоте по сравнению с обычными. Соответственно, воздушное пространство не загружено. Но от их использования вскоре отказались из-за нескольких недостатков: ударная волна; большой расход топлива; сложность эксплуатации; шум над аэродромом. Громкий хлопок – это резкий скачок давления перед самолетом, образующийся в момент, когда самолет начинает двигаться со сверхзвуковой скоростью (преодолевает звуковой барьер). Ударная волна, возникающая перед самолетом, распространяется конусообразно. Человек, наблюдающий за полетом самолета, слышит хлопок, когда эта волна достигает его, и только после этого можно услышать работу двигателя. Ударная волна постоянно сопровождает самолет на сверхзвуковой скорости. Однако хлопки будет слышно лишь во время прохождения самолета в определенной точке – поблизости с наблюдателем.
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.