دیوار صوتی چیست و چگونه شکسته می‌شود؟

تا سال‌ها باور عمومی بر این بود که دیوار صوتی، سدی فیزیکی است. این سد گرچه واقعی، اما نامرئی است. تا قبل از سال ۱۹۴۷ میلادی، این باور وجود داشت که اگر هواپیما با سرعتی سریع‌تر از سرعت صوت حرکت کند یا به عبارتی دیوار صوتی را بشکند، متلاشی خواهد شد.

سرانجام در روز ۱۴ اکتبر سال ۱۹۴۷ میلادی، معادل ۲۱ مهرماه سال ۱۳۲۶ شمسی، خلبانی به نام چاک ییگر (Chuck Yeager)، در پروازی استثنایی، دیوار صوتی را شکست و سالم بر زمین نشست. در این مطلب به دو پرسش مهم دیوار صوتی چیست و چگونه شکسته می‌شود، به زبان ساده پاسخ می‌دهیم.

دیوار صوتی چیست؟

هنگامی که سرعت جسمی به سرعت صوت نزدیک می‌شود، کشش آیرودینامیکی ناگهان افزایش می‌یابد که به این افزایش، دیوار صوتی گفته می‌شود. توجه به این نکته مهم است که دیوار صوتی، دیواری واقعی یا جامد نیست.

دیوار صوتی چگونه ایجاد می‌شود؟

هواپیمایی را در نظر بگیرید که با سرعتی کمتر از سرعت صوت حرکت می‌کند. هوا به عنوان سیالی بدون تلاطم در اطراف هواپیما وجود دارد. به بیان دیگر، جریان هوا در اطراف بال هواپیما، بدون تلاطم یا با کمترین تلاطم، حرکت می‌کند. به این نکته توجه داشته باشید که به هیچ جسمی نمی‌توان ناگهانی و بدون مقدمه، شتاب داد. هرچه شتاب جسمی بزرگ‌تر باشد، نیروی ایجادکننده آن شتاب نیز، بزرگ‌تر خواهد بود. بنابراین، برای آن‌که جسمی به صورت آنی شتاب بگیرد، باید نیروی وارد شده بر آن بی‌نهایت باشد.

هنگامی که هواپیما حرکت می‌کند، نیرویی به نام نیروی درگ، در خلاف جهت حرکت هواپیما و از طرف مولکول‌های هوا بر آن وارد می‌شود. از این‌رو، برای آن‌که اندازه نیروی درگ وارد شده بر بال‌های هواپیما کوچک باشد، مولکول‌های هوا باید به آهستگی از مسیر حرکت آن کنار بروند. سوالی که ممکن است مطرح شود این است که چگونه مولکول‌های هوا از مسیر حرکت بال‌ها، کنار می‌روند. این مولکول‌ها قبل از رسیدن به بال‌های هواپیما، شروع به حرکت می‌کنند. به این نکته توجه داشته باشید که لایه‌های هوا قبل از رسیدن به بال‌ها، از یکدیگر جدا می‌شوند. این حالت، همان شتاب گرفتن آهسته و به مرور زمان است. به تصویر زیر دقت کنید. چگونه هوا در نقطه A می‌داند که باید از مسیر حرکت بال هواپیما، کنار برود؟

اتم‌های هوا پس از برخورد به بال هواپیما، در جهت‌های مختلف شروع به ارتعاش و به اتم‌های مجاور برخورد می‌کنند و سبب نوسان یا ارتعاش آن‌ها در جهت‌های مختلف می‌شوند. به همین ترتیب، حرکت ارتعاشی اتم‌ها به اتم‌های مجاور و سرانجام به نقطه A می‌رسد. از این‌رو، این‌گونه به نظر می‌رسد که اتم‌های هوا در نقطه A می‌دانند که باید از مسیر حرکت بال هواپیما دور شوند. به بیان دیگر، به هنگام حرکت هواپیما، موجی فشاری از سمت بال‌های آن به جلو حرکت می‌کند. سرعت انتشار این فشار برابر سرعت صوت است.

هرچه سرعت حرکت هواپیما به سرعت صوت نزدیک‌تر می‌شود، هوای کمتری از مسیر حرکت بال کنار می‌رود. زیرا فشار موجی ایجاد شده توسط بال هواپیما با سرعت کمتری نسبت به سرعت هواپیما، به اتم‌های جلوتر می‌رسد. هنگامی که هواپیما با سرعتی برابر سرعت صوت یا بیشتر حرکت می‌کند، هوا نمی‌تواند از مسیر حرکت هواپیما کنار برود. زیرا فشار موجی نمی‌تواند سریع‌تر از سرعت صوت منتقل شود. به بیان دیگر، قبل از آن‌که فشار موجی به اتم‌های هوا برسد، بال هواپیما به آن‌ها رسیده است. در این حالت، دیوار صوتی ایجاد می‌شود.

سوالی که ممکن است مطرح شود این است که در سرعت‌هایی برابر سرعت صوت یا بیشتر، چه اتفاقی رخ می‌دهد. اگر هواپیما با سرعتی نزدیک سرعت صوت یا بیشتر از آن حرکت کند، موج ضربه‌ای ایجاد می‌شود. به بیان دیگر، اگر سرعت هواپیما بیشتر از سرعت صوت باشد، فشار موجی، فرصت کافی برای رسیدن به ذرات هوا ندارد. بنابراین، قبل از آن‌که ذرات هوا متوجه رسیدن هواپیما بشوند، با بال هواپیما برخورد خواهند کرد. توجه به این نکته مهم است که تعدادی از اتم‌ها در نزدیکی بال، روی آن انباشته می‌شوند. پس از گذشت مدت زمان مشخصی، مقدار اتم‌های انباشته روی بال به اندازه‌ای زیاد می‌شود که موج ضربه‌ای شکل می‌گیرد و مقدار فشار در نزدیکی بال به شدت افزایش می‌یابد.

موج ضربه‌ای نقطه‌ای است که در آن، ناگهان اتم‌های زیادی روی یکدیگر انباشته می‌شوند. اندازه سرعت، عقب‌تر از موج ضربه‌ای، کمتر از سرعت صوت است. اگر هواپیما با سرعت یک ماخ (سرعت صوت) حرکت کند، تمام اتم‌ها، سرعت خود را از یک ماخ در جلوی موج ضربه‌ای به کمتر از یک ماخ در پشت آن، تغییر می‌دهند. موج ضربه‌ای، سرعت اتم‌ها را تغییر می‌دهد و آن را به سرعت هواپیما نزدیک می‌کند.

دیوار صوتی چگونه شکسته می‌شود؟

سرعت همیشه موضوع جذابی برای انسان بوده و همواره راه‌های مختلفی را برای افزایش سرعت وسایل مختلف، مانند اتومبیل و هواپیما، امتحان کرده است. شکستن دیوار صوتی در سال ۱۹۴۷ میلادی، یکی از بزرگ‌ترین دستاورد‌های انسان بود. پس از پرواز اولین هواپیما در آسمان، خلبان‌ها در تلاش برای افزایش هر چه بیشتر سرعت هواپیما‌ها بودند. اما هرچه سرعت هواپیما بیشتر شود، حرکت هواپیما نامنظم‌تر و نیروی وارد شده بر آن بیشتر خواهد بود. بنابراین، افزایش سرعت هواپیما به بیش از سرعتی مشخص، بسیار خطرناک و با ریسک بسیار زیادی همراه بود. این مشکل چگونه حل شد؟

چاک ییگر، اولین خلبانی که دیوار صوتی را شکست

خلبانان سعی کردند با انجام شیرجه‌های خطرناک در سرعت‌های بسیار زیاد بر مشکل غلبه کنند. اما نتایج به‌دست آمده بسیار ناگوار بودند. سرانجام در سال ۱۹۴۷ میلادی، طراحان هواپیما قسمتی به نام تثبیت‌کننده افقی متحرک را به هواپیما اضافه و رویای افزایش سرعت هواپیما تا سرعتی برابر سرعت صوت را به واقعیت نزدیک کردند. در ۱۷ اکتبر همان سال، چاک ییگر، خلبان نیروی هوایی آمریکا، با هواپیمای x-۱، برای نخستین بار، دیوار صوتی را شکست.

پس از آن و با طراحی‌های پیشرفته‌تر، سرعت هواپیما‌های فراصوت حتی به بیش از سه برابر سرعت صوت رسید. سرعتی که در آن دیوار صوتی شکسته می‌شود به عوامل زیادی، مانند آب‌وهوا و ارتفاع از سطح زمین، بستگی دارد. در حالت کلی، مقدار این سرعت در حدود ۱۲۳۹ کیلومتر بر ساعت است.

هنگامی که هواپیمایی با سرعتی فراتر از سرعت صوت حرکت می‌کند، موج ضربه‌ای همراه با صدای بسیار بلند ایجاد می‌کند که به آن ترکش هوایی یا انفجار صوتی (Sonic boom) گفته می‌شود. ترکش هوایی می‌تواند اثر سوء بر انسان‌ها و حیوانات داشته باشد. همچنین، ممکن است به ساختمان‌های اطراف آسیب برساند.

چه اتفاقی هنگام شکستن دیوار صوتی رخ می‌دهد؟

هواپیما به هنگام پرواز در آسمان، صدا دارد و اغلب صدای آن قبل از رسیدن هواپیما به مکانی که در آن هستید، به شما می‌رسد. این حالت هنگامی رخ می‌دهد که هواپیما با سرعتی کمتر از سرعت صوت حرکت می‌کند. اگر سرعت هواپیما افزایش یابد و به نزدیکی سرعت صوت برسد، کمی دیرتر متوجه حضور هواپیما خواهید شد. به بیان دیگر، هنگامی متوجه حضور هواپیما می‌شوید که در فاصله نزدیک‌تری نسبت به شما، در مقایسه با حالت قبل، قرار گرفته باشد. هرچه سرعت هواپیما به سرعت صوت نزدیک‌تر شود، فاصله آن تا امواج صوتی کمتر می‌شود.

هواپیمای مافوق صوت به هنگام عبور از هر نقطه‌ای در آسمان، فشار را در آنجا به طور ناگهانی افزایش می‌دهد و صدایی شبیه انفجار شنیده می‌شود. به این صدا، انفجار صوتی می‌گوییم. اگر هواپیما با سرعتی فراتر از سرعت صوت حرکت کند، انفجار صوتی ایجاد می‌شود. سوالی که ممکن است مطرح شود این است که انفجار صوتی چیست و چه چیزی آن را ایجاد می‌کند یا قرار گرفتن در مسیر انفجار صوتی، چه خطراتی به دنبال دارد.

برای آن‌که درک بهتری از انفجار صوتی داشته باشیم، باید بدانیم که هوا، سیال است. قایق به هنگام حرکت در آب، موج‌هایی در سطح آن تولید می‌کند. این موج‌ها در جلوی قایق و به سمت جلو، منتشر می‌شوند. حالت مشابهی به هنگام حرکت هواپیما در آسمان رخ می‌دهد. هنگامی که هواپیمایی در آسمان حرکت می‌کند، موج‌هایی کروی ایجاد می‌شود.

اگر هواپیما سریع‌تر از سرعت صوت حرکت کند، صدای آن را نمی‌شنویم، تا هنگامی که از بالای سرمان در آسمان عبور کند. چرا؟ حرکت هواپیما سریع‌تر از سرعت صوت، بدان معناست که هواپیما سریع‌تر از امواج صوتی که ایجاد می‌کند، حرکت خواهد کرد. در این حالت، فشار بین جلو و انتهای هواپیما به طور ناگهانی تغییر می‌کند. این تغییر ناگهانی در فشار، منجر به ایجاد موج ضربه‌ای یا انفجار صوتی می‌شود.

به این نکته توجه داشته باشید که انفجار صوتی، تنها در یک نقطه ایجاد نمی‌شود، بلکه به شکل مخروطی به نام مخروط ماخ است. هر چیزی که در محدود مخروط ماخ قرار داشته باشد، انفجار صوتی هواپیمای فراصوت را احساس خواهد کرد. انفجار صوتی، صدای موتور هواپیما نیست، بلکه رهایی شدیدِ فشار، بین موج ضربه‌ای ایجاد شده در جلوی هواپیما و هوای اطراف آن است.

عوامل موثر بر انفجار صوتی

سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که اندازه و فاصله انفجار صوتی به چه عواملی بستگی دارد. وزن، اندازه و شکل هواپیما از جمله فاکتور‌های تاثیرگذار بر شدت انفجار صوتی هستند. همچنین، سرعت هواپیما، ارتفاع و مسیر پرواز آن نیز بر شکل مخروط ماخ، تاثیر می‌گذارند. هواپیمای سنگین‌تر و بزرگ‌تر، در مقایسه با هواپیمای کوچک‌تر و سبک‌تر، هوای بیشتری را جابجا می‌کند. بنابراین، انفجار هواپیمای بزرگ‌تر، بسیار قوی‌تر و بلندتر است. به بیان دیگر، هرچه مقدار هوای جابجا شده بیشتر باشد، انفجار صوتی بزرگ‌تر و قوی‌تر خواهد بود. همچنین، هرچه هواپیما در ارتفاع بلندتری پرواز کند، مساحت مخروط ماخ بیشتر خواهد بود. زیرا، موج ضربه‌ای برای رسیدن به سطح زمین باید مسافت بیشتری را طی کند.

توجه به این نکته مهم است که ارتفاع بر سرعت صوت، تاثیر می‌گذارد. سرعت صوت در سطح دریا برابر ۱۲۲۴ کیلومتر بر ساعت است. بنابراین، اگر سرعت جسمی سریع‌تر از این مقدار باشد، دیوار صوتی را خواهد شکست. هرچه ارتفاع از سطح دریا بیشتر شود، سرعت صوت کاهش می‌یابد. به عنوان مثال، سرعت صوت در ارتفاع ۱۶ کیلومتری از سطح دریا برابر ۱۰۶۲ کیلومتر بر ساعت است.

اگر جسمی سریع‌تر از سرعت صوت حرکت کند، دو انفجار صوتی ایجاد می‌شود. زیرا، دو تغییر فشار در هوا رخ می‌دهد. یکی در اطراف دماغه هواپیما و دیگری در اطراف دم آن. قدرت دو انفجار صوتی ایجاد شده به طور تقریبی با یکدیگر برابر هستند و زمان بین آن‌ها به بزرگی هواپیما بستگی دارد. هرچه هواپیما بزرگ‌تر و سنگین‌تر باشد، زمان بین دو انفجار صوتی، بیشتر خواهد بود. در مقابل، هرچه هواپیما کوچک‌تر و سبک‌تر باشد، زمان بین دو انفجار صوت بسیار کوتاه‌تر است، به گونه‌ای که ممکن است یک انفجار به نظر برسند.

شکستن دیوار صوتی زیر آب

تاکنون در مورد شکستن دیوار صوتی در هوا صحبت کردیم. سوالی که ممکن است مطرح شود این است که آیا تنها می‌توان دیوار صوتی را در هوا شکست؟ در مورد شکستن دیوار صوتی زیر آب، چه نظری دارید؟ تاکنون کسی دیوار صوتی را زیر آب نشکسته است. شاید دلیل خوبی برای این موضوع وجود داشته باشد. مقاومت آب به شدت بزرگ‌تر از مقاومت هوا است، بنابراین حرکت با سرعت زیاد در آب بسیار سخت‌تر از حرکت با سرعت زیاد در هوا است.

همچنین سرعت صوت در آب در حدود ۴ برابر سرعت آن در هوا است. برای شکستن دیوار صوتی در هوا باید با سرعتی بیشتر از ۱۲۳۴ کیلومتر بر ساعت حرکت کنیم. اما برای شکستن دیوار صوتی در زیر آب، سرعتی بیشتر از ۵۳۳۱ کیلومتر بر ساعت نیاز است.

آیا انفجار صوتی دیده می‌شود؟

ثبت انفجار صوتی تنها با یک کلیک، به رویای عکاسان حرفه‌ای تبدیل شده است. اما به صورت تکنیکی، انفجار صوتی بدون استفاده از تکنولوژی تصویربرداری ویژه، امکان‌پذیر نیست. سرانجام، سازمان فضایی آمریکا، ناسا، پس از یک دهه پژوهش توانست برای نخستین بار در سال ۲۰۱۹ میلادی، تصویری از امواج ضربه‌ای فراصوت ثبت کند.

آیا شکستن دیوار صوتی با ماشین امکان پذیر است؟

در ۱۵ اکتبر سال ۱۹۹۷ میلادی، اندی گرین (Andy Green) با اتومبیلی به نام Thrust SSC برای نخستین بار توانست به سرعت ۱۲۲۸ کیلومتر بر ساعت برسد و دیوار صوتی را روی زمین بشکند. تا امروز، این رکورد توسط هیچ‌کس شکسته نشده است. همچنین، برای آن‌که اتومبیل متوقف شود، در انتهای آن چتر نجات بسته شده بود.

منبع: روزیاتو