شکسته شدن دیوار صوتی به چه معناست؟

هنگامی که شیئی سریع‌تر از سرعت صوت حرکت کند، گفته می‌شود که آن شئ دیوار صوتی را شکسته است. در این مقاله، نگاهی به این پدیده خواهیم کرد و علل و اثرات آن را از نزدیک مورد بررسی قرار می‌دهیم.

آیا می‌دانستید؟

مخروطی از مه یا بخار دیده شده در اطراف هواپیمایی که به سرعت صوت نزدیک می‌شود، به علت امواج ضربه‌ای (shock waves) ایجاد شده در اثر سرعت مافوق صوت است که باعث کاهش فشار هوا و تراکم آب جو می‌شود.

دیوار صوتی چیست؟

دیوار صوتی را می‌توان به عنوان یک دیوار فرضی در مقابل حرکت فراتر از سرعت صوت تعریف کرد، بنابراین فرض بر این قرار داده می‌شود که هواپیما دستخوش افزایش ناگهانی نیروی کششی می‌شود که از تراکم هوای اطراف آن به هنگام رسیدن به سرعت نزدیک به سرعت صوت ایجاد می‌گردد. با پیشرفت در تکنولوژی هوانوردی نظامی، هواپیماهایی مانند F / A-18F سوپر هورنت و F-22 رپتور، از سرعت صوت فراتر رفته و با شکستن دیوار صوتی، انفجارهای صوتی بلندی (صدای انفجاری ناشی از شکستن دیوار صوتی) را بر طبق قاعده‌ای منظم بوجود می‌آورند.
امواج صوتی در سطح دریا و در دمای استاندارد 22 درجه سانتیگراد، با سرعتی در حدود 340 متر بر ثانیه (m / s) (760 مایل در ساعت) حرکت می‌کنند. سرعت صوت در نسبتی مستقیم با دمای محیط اطراف و چگالی محیط، افزایش یا کاهش می‌یابد. بر این اساس، سرعت شکستن دیوار صوتی با توجه به شرایط جوی اطراف آن تغییر می‌کند. مثال ساده‌ای از شکسته شدن دیوار صوتی می‌تواند صدایی باشد که شلاق چرمی تولید می‌کند و آن هنگامی است که نوک آن سریعتر از سرعت صوت حرکت کرده و صدایی ناگهانی و بلند ( یک انفجار صوتی کوچک) تولید می‌نماید.
توجه به این مسئله حائز اهمیت است که هرچند عامه‌ی مردم به طور غیر ارادی تصور می‌کنند که سرعت صدا برابر با سرعت صوت در هوا است، اما بایستی گفت که در واقع این سرعت همواره بسته به چگالی و نوع محیطی که از آن عبور می‌کند، متفاوت خواهد بود. به عنوان مثال، سرعت صوت در آب تقریباً چهار برابر سرعت صوت در هوا یعنی در حدود 1500 متر بر ثانیه است.

به هنگام شکسته شدن دیوار صوتی، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟

برای آنکه پی ببریم به هنگام شکسته شدن دیوار صوتی به وسیله‌ی یک شی، چه اتفاقی رخ می‌دهد، بایستی صوت را به عنوان موجی با سرعت محدود در نظر بگیریم. همچنین بایستی نظری بیاندازیم به اینکه چگونه جریان هوای اطراف هواپیما با افزایش سرعت آن تغییر می‌کند.

در کمتر از سرعت صوت:

هواپیماهایی که آهسته‌تر از سرعت صوت حرکت می‌کنند، اختلالاتی در فشار هوا ایجاد می‌کنند که به فاصله‌ای از هواپیما با سرعت صوت در حرکتند. جریان هوا زمان کافی جهت متفرق و پراکنده ساختن این اختلال فشار را دارد. در این شرایط، صدای هواپیما پیش از اینکه خود دیده شود، به گوش شخص ناظر می‌رسد.

سرعتی برابر با سرعت صوت:

هنگامی که هواپیما به سرعتی برابر با سرعت صوت می‌رسد، اختلالات فشاری کنار هم در جلوی هواپیما جمع می‌شوند. هواپیما به امواج فشاری که به دلیل نیروی رو به جلو بسیار قدرمتند موتور (نیروی رانش thrust) ایجاد می‌شوند، بسیار نزدیک می‌شود. این امر موجب افزایش ناگهانی و قابل توجهی در نیروى پسا (فشار وارده در جهت‌ عكس‌ حركت‌ هواپیما بر بال‌ها و تنه‌ى آن) (drag) می‌شود، به گونه‌ای که جریان هوا زمان بسیار کمی برای انطباق داشته و درون دیوار یا مانعی متراکم می‌شود.

بیشتر از سرعت صوت:

همانطور که هواپیما سریعتر از صوت حرکت می‌کند، و به سرعت مافوق صوت می‌رسد، هوا به هیچ وجه شانسی برای انطباق نداشته و موجب به وجود آمدن امواج ضربه‌ای عظیمی شده که می‌تواند مرتبط با صدای مهیبی همچون انفجار باشد به گونه‌ای که صدای خارج شده از هواپیما بسیار دیرتر از خود آن به گوش شنونده و ناظر می‌رسد. صدایی انفجاری تنها زمانی که هواپیما از دید ناظر عبور کند به گوش او خواهد رسید، به گونه‌ای که هوا با عجله قصد پر کردن فضای کم فشار پشت هواپیما را دارد. هنگامی که یک جت دیوار صوتی را می‌شکند، بیشتر صدای انفجاری مانند صدای ناگهانی زودگذر اما بلند رعد و برق شنیده می‌شود. شدت یک انفجار صوتی با شتاب بالاتر یا پایین‌تر تغییر نمی‌کند، در عوض، اندازه و سایز هواپیما بر این شدت انفجار تأثیر می‌گذارد، به این معنی که هواپیمایی بزرگتر، مقدار هوای بیشتری را جابجا کرده و منجر به صدای انفجاری بلندتری خواهد شد.

دستاوردها و سوابق بشر

در اوایل دهه‌ی 1930 محققان توجه خود را متوجه‌ی چالش‌هایی کردند که خلبانان در حین تلاش برای رسیدن به سرعت‌های مافوق صوت با آنها مواجه می‌شوند. اگرچه مشخص شده بود که اشیاء دیگری، مانند گلوله‌ی تفنگ، گلوله‌ی توپ، و شهاب سنگ سریعتر از صوت حرکت می‌کنند، اما بسیار تردید داشتند که آیا یک هواپیما و یا یک فرد می‌تواند فشارهایی از حرکت با چنین سرعتی را تحمل کند یا خیر. نیروی هوایی ایالات متحده تصمیم گرفت که این نظریه‌ها را مورد آزمایش قرار دهد.
در نهایت، در 14 اکتبر 1947 پس از پشت سر گذاشتن تقریباً یک دهه تحقیق، چاک ییگر (Chuck Yeager) کاپیتان نیروی هوایی ایالات متحده نخستین فرد در تاریخ بشر بود که توانست به وسیله‌ی یک هواپیمای پژوهشی با قدرت موشک بنام Bell-X1 با موفقیت دیوار صوتی را بشکند. این رویداد راه را برای فضانوردی و اکتشاف فرازمینی انسان هموار ساخت. تا پیش از پایان دهه‌ی 1950، هواپیماهای جت به طور معمول این رکورد سرعت را می‌شکستند.
در 14 اکتبر سال 2012، دقیقا 65 سال پس از به نتیجه رساندن این شاهکار، فردی دیگر بنام فلیکس بومگارتنر (Felix Baumgartner) دیوار صوتی را شکست. اما، او این کار را به تنهایی و بدون کمک انجام داد، به این صورت که از بالونی هلیومی که در استراتوسفر با ارتفاع 125097 پا (24 مایل) از سطح زمین شناور بود، به بیرون پرید. فلیکس پس از این پرش، به مدت حدود 34 ثانیه به حالت سقوط آزاد باقی ماند و آن هنگامی بود که دیوار صوتی را شکست و به سرعتی در حدود 834 مایل در ساعت (24ر1 ماخ) رسید. این سرعت بالا به دلیل مقاومت هوا و فشار پایین موجود در استراتوسفر امکان‌پذیر بود.
با وجود اینکه امروزه این امر برای بسیاری از هواپیماها عادی شده، اما شکستن دیوار صوتی ارزان تمام نمی‌شود، به این دلیل که فشار و عبور از این دیوار هوایی میزان مصرف سوخت را بالا می‌برد. به همین دلیل است که خطوط هوایی تجاری از پرواز با سرعت مافوق صوت اجتناب می‌کنند. این موفقیت در شکستن دیوار صوتی برای تمام مردم سراسر دنیا الهام بخش بوده، و ثابت نموده است که با اراده و شجاعت هر مانع و سدی می‌تواند در نهایت شکسته شود.