بیش از چند سال از باور مردم در مورد واقعی بودن دیوار صوتی به عنوان سدی فیزیکی نمی‌گذرد. 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. به این افزایش، دیوار صوتی گفته می‌شود. توجه به این نکته مهم است که دیوار صوتی، دیواری واقعی یا جامد نیست. انتخاب این اسم تنها به دلیل داشتن درک بهتری از آن است.

دیوار صوتی چگونه ایجاد می‌ شود ؟

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. هر چه 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 آن 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؟

هوا اطراف بال هواپیما

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. گفتیم فشار موجی، با سرعت صوت منتقل می‌شود. 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 آن 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.

دیوار صوتی

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.

پس از پاسخ به پرسش دیوار صوتی چیست و چگونگی تشکیل آن، در ادامه در مورد شکستن این دیوار، صحبت می‌کنیم.

شکستن دیوار صوتی چگونه است ؟

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. چگونه این مشکل حل شد؟

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-1، برای نخستین بار، دیوار صوتی را شکست. پس از آن و با طراحی‌های پیشرفته‌تر، سرعت هواپیماهای فراصوت حتی به بیش از ۳ برابر سرعت صوت رسید. سرعتی که در آن دیوار صوتی شکسته می‌شود به عامل‌های زیادی، مانند آب‌وهوا و ارتفاع از سطح زمین، بستگی دارد. در حالت کلی، مقدار این سرعت در حدود ۱۲۳۹ کیلومتر بر ساعت است.

چاک ییگر

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 سو بر انسان‌ها و حیوانات داشته باشد. همچنین، ممکن است به ساختمان‌های اطراف آسیب برساند. دانشمندان زیادی در سراسر جهان، انفجار صوتی را مطالعه می‌کنند و در تلاش هستند تا مسیر آن را در جو، پیش‌بینی کنند.

چه اتفاقی هنگام شکستن دیوار صوتی رخ می‌ دهد ؟

هواپیما به هنگام پرواز در آسمان، صدا دارد. هنگامی که کنار پنجره اتاقتان نشسته‌اید و به کارهایتان مشغول هستید، ناگهان صدایی غرش‌مانند در آسمان می‌شنوید. به کنار پنجره می‌روید و به آسمان نگاه می‌کنید. بله، درست حدس زدید، صدایی که شنیدید برای عبور هواپیما است. صدای هواپیما قبل از رسیدن هواپیما به مکانی که هستید، به شما رسیده است. 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.

لحظه‌ای را تصور کنید که به آسمان نگاه می‌کنید و هواپیمایی را می‌بینید که با سرعتی برابر سرعت صوت یا یک ماخ یا بیشتر، حرکت می‌کند. اگر به درخت‌های مسیر حرکت هواپیما روی زمین نگاه کنید، به این نکته پی خواهید برد که به هنگام عبور هواپیما خم می‌شوند. این‌گونه به نظر می‌رسد که نیرویی نامریی بر آن‌ها وارد شده است. 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 آن است که انفجار صوتی چیست و چه چیزی آن را ایجاد می‌کند یا قرار گرفتن در مسیر انفجار صوتی، چه خطراتی به دنبال دارد.

همان‌طور که در مطالب بالا گفته شد، کاپیتان چاک ییگر، خلبان نیروی هوایی ارتش آمریکا، نخستین خلبانی بود که سریع‌تر از سرعت صوت حرکت کرد. سال‌ها، خلبان‌های زیادی در نیروی هوایی تلاش کردند تا سریع‌تر از سرعت صوت حرکت کنند، اما موفق نبودند. زیرا، حرکت هواپیما در این سرعت با تلاطم زیادی همراه بود و حتی ممکن بود از هم بپاشد و جان خلبان به خطر بیفتد. هنگامی که سرعت هواپیما به سرعت صوت نزدیک می‌شود، فشاری در تمام جهت‌ها بر آن وارد و منجر به تکان خوردن هواپیما و حرکت آن به اطراف می‌شود. این تکان‌ها تا زمان کاهش سرعت هواپیما، ادامه می‌یابد. بنابراین، تا قبل از سال ۱۹۴۷ میلادی، بسیاری از افراد تصور می‌کردند که عبور از سرعت صوت کاری غیرممکن است. اما ییگر تمام این تصورات را به هم زد.

تلاطم هواپیما

برای آن‌که درک بهتری از انفجار صوتی داشته باشیم، باید بدانیم که هوا، سیال است. قایق به هنگام حرکت در آب، موجک‌هایی 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.

امواج در سطح آب

اگر هواپیما سریع‌تر از سرعت صوت حرکت کند، صدای آن را نمی‌شنویم، تا هنگامی که از بالای سر ما در آسمان عبور کند. چرا؟ حرکت هواپیما سریع‌تر از سرعت صوت، بدان معنا است 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 نمی شود، 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.

به این نکته توجه داشته باشید که فشار بسیار زیادی در ناحیه جلوی هواپیما، ایجاد می‌شود. این فشار می‌خواهد فضای اشغال شده توسط هواپیما را، پر کند. مثال ساده شده این حالت هنگامی است که دست خود را به سمت بالا و پایین حرکت می‌دهید. در این حالت، حرکت هوا را اطراف دست احساس می‌کنید. هنگامی که دست خود را حرکت می‌دهید، مولکول‌های هوا روی دست حرکت می‌کنند تا فضایی را که قبلا توسط دست اشغال شده بود، پر کنند. تغییر فشار، دلیل اصلی تمایل مولکول‌ها به پر کردن فضای خالی است.

فضایی که دست ما آن را اشغال کرده است را با A و فضای اطراف را با B نشان می‌دهیم. غلظت یا تعداد مولکول‌های هوا در ناحیه A، کمتر از ناحیه B است. هنگامی که دست خود را به سمت بالا یا پایین حرکت می‌دهیم، مولکول‌های هوا برای برابر کردن فشار در همه جا، از ناحیه B با غلظت بیشتر به ناحیه A، با غلظت کمتر می‌روند. اگر بتوانید دستان خود را با سرعتی در حدود ۱۲۳۰ کیلومتر بر ساعت حرکت دهید، انفجارهای صوتی زیادی می‌توانید ایجاد کنید. فشار ایجاد شده در جلوی هواپیما، بلافاصله فضای خالی پشت دم هواپیما را پر می‌کند. این فضا لحظاتی قبل توسط هواپیما اشغال شده بود. به همین دلیل، انفجار صوتی ایجاد می‌شود.

اختلاف فشار

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.

 شکستن دیوار صوتی
لحظه شکستن دیوار صوتی

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. به ناحیه داخل مخروط ماخ که انفجار صوتی در آنجا شنیده می‌شود، فرش انفجار می‌گوییم. پژوهشگران، این ناحیه را به طور دقیق محاسبه کرده‌اند. عرض آن در حدود ۱/۶ کیلومتر به ازای هر ۰/۳ متر ارتفاعِ هواپیما از سطح زمین است. این بدان معنا است که اگر ارتفاعِ پرواز هواپیمای فراصوت از سطح زمین برابر ۱۸ کیلومتر باشد، عرض فرش انفجار در حدود ۹۶ کیلومتر خواهد بود. توجه به این نکته مهم است که شدت موج ضربه‌ای برای تمام نقاط داخل این ناحیه، یکسان نیست. ناحیه‌ای که به طور مستقیم زیر هواپیما قرار گرفته است، بالاترین شدت را دارد. هر چه فاصله بیشتری از خط پرواز هواپیما داشته باشیم، شدت انفجار را کمتر احساس می‌کنیم.

لحظه شکستن دیوار صوتی
شکستن دیوار صوتی توسط جت

اگر جسمی سریع‌تر از سرعت صوت حرکت کند، دو انفجار صوتی ایجاد می‌شود. زیرا، دو تغییر فشار در هوا رخ می‌دهد.

  1. تغییر فشار بسیار زیادی در اطراف دماغه هواپیما ایجاد می‌شود.
  2. تغییر فشار دوم در اطراف دم هواپیما ایجاد می‌شود و در مدت زمان بسیار کوتاهی به حالت معمول بازمی‌گردد.

قدرت دو انفجار صوتی ایجاد شده به طور تقریب با یکدیگر برابر هستند. 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. سوال دیگری که ممکن است مطرح شود آن است که سرعت چه تاثیری بر شدت انفجار صوتی می‌گذارد. به پرسش زیر دقت و قبل از دیدن پاسخ، کمی به جواب آن فکر کنید.

آیا زمان رسیدن هواپیما به سرعتی بیش‌تر از یک ماخ، تاثیر مستقیمی بر بزرگی انفجار صوتی ایجاد شده توسط آن دارد؟

پاسخ پرسش بالا، خیر است. اگر سرعت هواپیمایی کمی بیشتر از یک ماخ باشد، به عنوان مثال ۱/۳ ماخ، قدرت و شدت انفجار صوتی آن بسیار بزرگ می‌شود. اما در سرعت‌های بیشتر از ۱/۳ ماخ، تغییر در شدت انفجار صوتی، قابل‌چشم‌پوشی خواهد بود. به این نکته توجه داشته باشد که مانور انجام شده توسط هواپیماهای فراصوت، تاثیر بسزایی بر شدت انفجار صوتی می‌گذارد. به عنوان مثال، مانور S، شدت انفجار صوتی را به طور قابل‌ملاحظه‌ای افزایش می‌دهد، زیرا فشار بسیار بزرگی ایجاد می‌شود.

مانور S

اکنون، پرواز هواپیماهای فراصوت در مناطق پرجمعیت، محدود یا ممنوع شده است، زیرا انفجار صوتی بر مردم و ساختمان‌ها اثرات متفاوتی می‌گذارد. به عنوان مثال، انفجار صوتی ممکن است منجر به ایجاد استرس در افراد مختلف شود. حتی گاهی، این انفجار می‌تواند سبب از دست رفتن شنوایی شود. به این نکته توجه داشته باشید که انفجار صوتی برحسب پوند بر مجذور فوت ($$\frac { lbs} { ft ^ 2 }$$) بیان می‌شود. زیرا انفجار صوتی به دلیل تغییر فشار، ایجاد می‌شود.

برای داشتن درک بهتری از انفجار صوتی، آشنایی با برخی ویژگی‌های امواج صوتی خالی از لطف نیست.

ویژگی های امواج صوتی

فرض کنید سنگ کوچکی را داخل استخر می‌اندازید. چه اتفاقی می‌افتد؟ افتادن سنگ سبب ایجاد امواج و انتشار آن با سرعت یکسان در همه جهت‌ها، در آب می‌شود. در واقع، امواج به شکل دایره‌هایی با شعاع افزایشی در سطح آب، منتشر می‌شوند. به این دایره‌های هم‌مرکز، جبهه موج گفته می‌شود. منبع صوتی ساکنی مانند رادیو را در نظر بگیرید. این منبع، امواج صوتی ایجاد می‌کند و به خارج از منبع می‌فرستد. برخلاف سطح آب که در آن جبهه موج به شکل دایره‌های هم‌مرکز است، شکل آن در فضای سه‌بعدی محیط اطراف ما به شکل کره‌های هم‌مرکز خواهد بود. در این حالت، صوت در امتداد شعاع کره‌ها و عمود بر سطح آن‌ها، منتشر می‌شود. منبع موج متحرکی، مانند سوت قطار، را در نظر بگیرید. اگر منبع موج در جهت مشخصی، به عنوان مثال جهت راست، حرکت کند، امواج متوالی در جلوی منبع، به یکدیگر نزدیک می‌شوند و سبب ایجاد اثری به نام اثر دوپلر می‌شوند.

مطلب پیشنهادی:
اثر دوپلر (Doppler Effect) — به زبان ساده
شروع مطالعه

اثر دوپلر چیست ؟

هنگامی که منبع تولیدکننده موج، متحرک باشد، اثر دوپلر اتفاق می‌افتد. آمبولانسی را در نظر بگیرید که آژیرکشان به سمت ناظر A (به سمت راست) حرکت می‌کند و از ناظر B دور می‌شود. آمبولانس را به عنوان منبع موجی متحرک در نظر می‌گیریم. امواج قرار گرفته در جلوی آمبولانس به یکدیگر نزدیک و امواج قرار گرفته در پشت آن، از یکدیگر دور می‌شوند. بنابراین، ناظر A امواج را با فرکانسی بزرگ‌تر از فرکانس اصلی و ناظر B، امواج را با فرکانسی کمتر از فرکانس اصلی، مشاهده می‌کنند. از این‌رو اثر دوپلر را می‌توان به این صورت تعریف کرد:

تغییر ظاهری در فرکانس موج به دلیل حرکت نسبی بین منبع موج و ناظر

فرض کنید در کنار خیابان ایستاده‌اید و اتومبیلی با سرعت بسیار زیاد از کنار شما می‌گذرد. راننده اتومبیل به هنگام نزدیک شدن، شروع به بوق زدن می‌کند. صدای بوق را چگونه می‌شنوید. در ابتدا، آن را با گام بلند و سپس با گام کوتاه خواهید شنید. دلیل این موضوع به اثر دوپلر برمی‌گردد. توجه به این نکته مهم است که راننده صدای بوق را با گام یکسان و بدون تغییر می‌شنود، زیرا منبع صوت، بوق، نسبت به او با سرعت یکسانی حرکت می‌کند.

هنگامی که اتومبیل به سمت شما حرکت می‌کند، امواج صوتی منتشر شده توسط بوق، به یکدیگر نزدیک می‌شوند. بنابراین، با فرکانس بزرگ‌تری به شما می‌رسند. از این‌رو، صدای بوق را با گام بلند‌تری می‌شنوید. در ادامه، هنگامی که اتومبیل از شما دور می‌شود، امواج صوتی منتشر شده توسط بوق، از یکدیگر دور می‌شوند. بنابراین، با فرکانس کوچک‌تری به شما می‌رسند. در نتیجه، صدای بوق را با فرکانس کمتری می‌شنوید.

عدد ماخ چیست ؟

به طور حتم نام هواپیماهای فراصوت را شنیده‌اید. هواپیماهایی که می‌توانند برای لحظاتی بسیار کوتاه، سریع‌تر از سرعت صوت حرکت کنند. سرعت این هواپیماها برحسب ماخ بیان می‌شود. سرعت صوت برابر مسافت طی شده توسط امواج صوت در واحد زمان به هنگام انتشار آن در هوا یا هر محیط دیگری است. واحد زمان می‌تواند، ثانیه، دقیقه یا ساعت باشد. سرعت صوت در هوا در سطح دریا، در حدود ۱۲۳۵ کیلومتر بر ساعت است. فرض کنید هواپیمایی در آسمان با سرعت مشخصی حرکت می‌کند. به نسبت سرعت هواپیما به سرعت صوت، عدد ماخ گفته می‌شود. بنابراین، اگر هواپیمایی با سرعت صوت حرکت کند، سرعت آن برابر یک ماخ خواهد بود.

مطلب پیشنهادی:
عدد ماخ — به زبان ساده (+ دانلود فیلم آموزش گام به گام)
شروع مطالعه

سرعت صوت چقدر است ؟

در هر لحظه از زندگی و در همه جا، صدای امواج صوتی را می‌شنویم. امواج صوتی به شکل غیرقابل‌انکاری در زندگی ما نفوذ کرده‌اند، به گونه‌ای که زندگی بدون امواج صوتی، غیرقابل‌تصور به نظر می‌رسد. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که این امواج چگونه در فضای اطراف ما حرکت می‌کنند. برای پاسخ به این پرسش به راحتی می‌توانیم آزمایشی فکری طراحی کنیم.

فرض کنید میله‌ای فولادی به طول ۳۸۴۴۰۲ کیلومتر داریم که بین زمین و ماه قرار گرفته است. در دنیای واقعی داشتن چنین میله‌ای با این طول، تقریبا غیرممکن است. اما در آزمایش فکری، فرض هر موقعیتی برای آزمایش، امکان‌پذیر است. در این آزمایش، از عامل‌های زیر چشم‌پوشی شده است:

فرض کنید سر میله فولادی در نزدیکی سطح زمین و انتهای آن، نزدیک سطح ماه قرار داشته باشد. اگر سر میله را به اندازه یک متر از سطح زمین دور کنیم، چه اتفاقی برای انتهای میله می‌افتد؟

  1. بلافاصله حرکت می‌کند.
  2. با تاخیر چند ثانیه‌ای حرکت می‌کند.
  3. با تاخیر یک ساعت، حرکت می‌کند.
  4. با تاخیر چند ساعت یا بیشتر، حرکت می‌کند.

طبق محاسبات انجام شده، انتهای میله در سطح ماه، ۱۸ ساعت و ۲۴ دقیقه پس از حرکت سر میله در نزدیکی سطح زمین، حرکت می‌کند. بنابراین، پاسخ صحیح گزینه ۴ است. در نگاه نخست، شاید از این پاسخ بسیار متعجب شده باشید. به این نکته توجه داشته باشید که به سر میله در سطح زمین نیرویی وارد و میله به اندازه یک متر جابجا شده است. آیا این نیرو را به تمام طول میله وارد کرده‌ایم؟ خیر. این نیرو تنها به اتم‌های سر میله در سطح زمین، وارد شده است.

نیروی F بر دسته‌ای از اتم‌های سر میله در سطح زمین وارد می‌شود. این اتم‌ها، حرکت‌ می‌کنند و اتم‌های مجاور را به سمت بالا حرکت می‌دهند. به همین ترتیب، اتم‌های بعدی، اتم‌های مجاور خور را حرکت می‌دهند و نیروی F در راستای میله، حرکت می‌کند. سرانجام، نیروی F به انتهای میله می‌رسد و آن را حرکت می‌دهد. انتقال نیروی F را می‌توان به صورت پرش اتم‌ها در راستای میله در نظر گرفت. بنابراین، این نیرو نمی‌تواند به طور آنی از سر میله روی زمین به انتهای آن در سطح ماه منتقل شود. به بیان دیگر، انتقال نیروی F از یک دسته از اتم‌ها به دسته دیگر، مدت زمان محدودی طول می‌کشد. سرعت انتقال نیروی F در میله فولادی در حدود ۵/۸۰ کیلومتر بر ثانیه، طول می‌کشد. این سرعت، برابر سرعت انتقال صوت در فولاد است و مقدار آن با تغییر جنس میله، تغییر خواهد کرد.

پرسش: اگر میله به جای فولاد، از چوب ساخته شده بود، انتهای میله چند ساعت پس از جابجایی سر میله در سطح زمین، جابجا می‌شد؟

پاسخ: طول میله به طور تقریب برابر ۳۸۴ هزار کیلومتر و سرعت صوت داخل چوب برابر ۳/۹۶ کیلومتر بر ثانیه است. بنابراین، مدت زمان انتقال حرکت از زمین به ماه برابر است با:

$$\frac { 384000 \ km } { 3.96 \ \frac { km } { s } } = 26. 93 \ hours$$

در نگاه نخست، این‌گونه به نظر می‌رسد که نیرو و حرکت اتم‌ها در اجسام جامدی مانند فولاد یا چوب، به طور آنی در سراسر ماده منتقل می‌شود. اما در واقعیت، انتقال نیرو و حرکت‌ اتم‌ها در سرتاسر ماده‌ جامد، نیاز به زمان دارد. برای داشتن درک بهتری از انتقال حرکت بین اتم‌ها، به مثالی که در ادامه آورده می‌شود توجه کنید. زنجیره‌ای از افراد را در نظر بگیرید که دست در دست، صفی طولانی تشکیل داده‌اند. سیبی به نخستین فرد در صف داده می‌شود و از او خواسته می‌شود این سیب را به آخرین فرد بدهد. می‌دانیم این کار به طور آنی انجام نمی‌شود. نخستین فرد، سیب را به فرد کناری و او نیز به همین ترتیب، سیب را به فرد کنارِ خود می‌دهد. پس از مدت زمان مشخصی، سیب به آخرین فردِ در صف منتقل می‌شود. هر یک از افرادِ در صف را می‌توان مشابه دسته‌ای از اتم‌ها در ماده‌ای مانند فولاد یا چوب و سیب را مشابه نیروی وارد شده به هر یک از اتم‌ها، دانست.

مطلب پیشنهادی:
امواج چیست ؟ — به زبان ساده
شروع مطالعه

گفتیم به انتقال یا انتشار حرکت اتم‌ها در ماده، سرعت صوت گفته می‌شود که به جنس ماده یا محیط انتقال حرکت، بستگی دارد. همچنین، سرعت صوت به دمای محیط انتقال نیز وابسته است. به آزمایش فکری و میله فولادی بین زمین و ماه برمی‌گردیم. فرض کنید میله را به گونه‌ای متفاوت حرکت دهیم. ابتدا میله را به سمت بالا و ده دقیقه بعد آن را به سمت پایین حرکت می‌دهیم. چه اتفاقی در سطح ماه رخ می‌دهد؟ مشابه حالت قبل، پس از ۱۸ ساعت از حرکت میله به سمت بالا در سطح زمین، انتهای میله در سطح ماه حرکت می‌کند. سپس، ده دقیقه بعد، انتهای میله در جهت مخالف، شروع به حرکت خواهد کرد.

در ادامه، فرض کنید سر میله در سطح زمین با سرعت بسیار زیادی در حدود ۱۰۰ بار در ثانیه به مدت یک دقیقه، به بالا و پایین حرکت کند و سپس متوقف شود. این حرکت نیز در راستای میله منتشر می‌شود و پس از ۱۸ ساعت به انتهای میله در سطح ماه می‌رسد. نیرو و حرکت اتم‌ها در سرتاسر میله فولادی یا هر ماده دیگری با سرعت ثابتی منتقل می‌شود. گفتیم مقدار این سرعت به جنس محیط و دمای آن بستگی دارد. به انتشار حرکت در محیط، موج گفته می‌شود.

در حالت واقعی، هوای اطراف را می‌توان به میله فولادی در آزمایش، شبیه کرد. همچنین، حرکت اتم‌ها و انتقال این حرکت در امتداد میله، نشان‌دهنده انتشار امواج صوتی در هوا است. پنج نکته مهم در آزمایش فکری مطرح شده وجود دارند که به شما در درک بهتر امواج صوت و امواج در حالت کلی، کمک می‌کنند:

  1. امواج صوتی همان حرکت اتم‌ها یا ذرات محیط و انتقال این حرکت به اتم‌های دیگر است.
  2. امواج می‌توانند مسافت بسیار طولانی را طی کنند، در حالی‌که اتم‌ها تنها می‌توانند مسافت بسیار کوتاهی حرکت کنند.
  3. امواج صوت در محیط با سرعتی برابر سرعت صوت حرکت می‌کنند. اندازه این سرعت به جنس محیط، بستگی دارد.
  4. سرعت حرکت امواج صوت در محیط ثابت است.
  5. امواج صوت، انتشار نیرو یا حرکت در محیط هستند.

شکستن دیوار صوتی زیر آب

تاکنون در مورد شکستن دیوار صوتی در هوا صحبت کردیم. سوالی که ممکن است مطرح شود آن 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. بنابراین، 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، باید با سرعتی بیشتر از ۵۳۳۱ کیلومتر بر ساعت حرکت کنیم.
شکستن دیوار صوتی زیر آب

در مطالب بالا گفتیم، اگر هواپیمای فراصوت، با سرعتی بیشتر از سرعت صوت حرکت کند، انفجار صوتی ایجاد می‌شود. انفجار صوتی در آب نیز می‌تواند، مانند هوا، ایجاد شود. اما برای ایجاد انفجار صوتی در آب، جسم باید با سرعت بسیار بالاتری حرکت کند.

پرسش‌ های جالب پیرامون دیوار صوتی

اکنون می‌دانیم دیوار صوتی چیست و چگونه ایجاد می‌شود. در ادامه، به پرسش‌های جالبی در مورد دیوار صوتی پاسخ می‌دهیم.

آیا می‌توانیم با شکستن دیوار نوری، امواج ضربه‌ای نور بسازیم ؟

پاسخ به این پرسش هم بله است و هم خیر. در واقع، پاسخ این پرسش بستگی به محیطی دارد که در آن قرار داریم. برای آن‌که از سفر به گذشته جلوگیری کنیم، پایستگی موضعی جرم و انرژی را حفظ کنیم و مانع از انفجار جهان در یک لحظه شویم، هیچ‌ چیز نمی‌تواند سریع‌تر از سرعت نور در خلأ حرکت کند. هواپیماهای فراصوت هنگامی که با سرعتی فراتر از سرعت صوت حرکت کنند، دیوار صوتی را می‌شکنند. شکستن دیوار صوتی امکان‌پذیر است، زیرا صوت، تنها ارتعاش و حرکت مولکول‌های هوا است. هنگامی که هواپیماها به سرعت صوت نزدیک می‌شوند، امواج صوتی آن‌ها به یکدیگر نزدیک می‌شوند و دیواری به نام دیوار صوتی را تشکیل می‌دهند. اگر هواپیما به اندازه کافی محکم و پایدار نباشد، پس از برخورد به این دیوار، از هم می‌پاشد.

طراحی هواپیماهای فراصوت به گونه‌ای انجام شده است که می‌توانند دیوار صوتی را بشکنند و موج ضربه‌ای صوتی ایجاد کنند. اکنون حالتی را در نظر بگیرید که فضاپیمایی در فضا با سرعت مشخصی حرکت می‌کند. به طور مشابه، اگر سرعت این فضاپیما افزایش یابد و به بیشتر از سرعت نور برسد، موج ضربه‌ای نوری ممکن است تشکیل شود. اما مشکلی در اینجا وجود دارد، هیچ چیزی نمی‌تواند سریع‌تر از سرعت نور در خلأ حرکت کند. بنابراین، فضاپیما هرگز نمی‌تواند سریع‌تر از سرعت نور حرکت کند و دیوار نوری را بشکند.

شکستن دیوار نوری

هنگامی که سرعت جسمی به سرعت نور نزدیک می‌شود، مقدار قابل‌ملاحظه‌ای انرژی برای شتاب گرفتن به‌دست می‌آورد. اگر سرعت فضاپیما در خلأ به سرعت نور برسد، مقدار انرژی کسب شده توسط آن، بی‌نهایت خواهد بود. این موضوع هر روز در شتاب‌دهنده‌های ذرات بنیادی تایید می‌شود. سرعت ذراتی مانند پروتون و الکترون در شتاب‌دهنده‌‌ها و در محیط خلأ به سرعت نور بسیار نزدیک می‌شود. هر سال، شتاب‌دهنده‌ها برای رسیدن به سرعت بالاتر، بهبود بخشیده می‌شوند. به عنوان مثال، سرعت ذرات بنیادی در یک دهه برابر ۹۹/۹۹ درصد سرعت نور و در دهه بعد به ۹۹/۹۹۹ درصد سرعت نور افزایش یافت. بیشترین سرعت به‌دست آمده تا امروز برابر ۹۹/۹۹۹۹۹۷ درصد سرعت نور در شتاب‌دهنده هادرون است. فضاپیما در فضا و در محیط خلأ هرگز نمی‌تواند به سرعت نور برسد، بنابراین دیوار نوری هرگز شکسته نمی‌شود و موج ضربه‌ای اپتیکی ایجاد نخواهد شد.

تاکنون در مورد سرعت نور در خلأ صحبت کردیم. اگر در خلأ نباشیم، شرایط بسیار هیجان‌انگیزتر خواهد شد. سرعت نور در محیطی مانند آب یا شیشه بسیار کمتر از مقدار آن در خلأ است. هر جسمی در محیطی غیر از خلأ می‌تواند سریع‌تر از سرعت نور حرکت کند، بدون آن‌که قوانین فیزیک را نقض کرده باشد. بنابراین، همان‌طور که انتظار می‌رود، اگر جسمی در محیطی غیر از خلأ با سرعتی سریع‌تر از سرعت نور حرکت کند، موج ضربه‌ای اپتیکی به طور قطع ایجاد می‌شود. به این موج ضربه‌ای نور، «تابش چرنکوف» (Cherenkov radiation) گفته می‌شود.

چرا افراد مختلف اعتقاد دارند که دیوار صوتی، واقعی است؟

در زمان جنگ جهانی دوم، خلبان‌ها در مورد از هم پاشیدگی هواپیماها به هنگام نزدیک شدن سرعت آن‌ها به سرعت صوت، گزارش‌های زیادی می‌دادند. این‌گونه به نظر می‌رسید که هواپیما در آن سرعت به دیواری نامریی برخورد می‌کرد. در دهه ۴۰ میلادی، تکنیک‌های طراحی مناسب و جزییات آیرودینامیکی برای داشتن هواپیمای فراصوت موفق، ناشناخته بودند. هواپیماهایی که به طور ویژه برای پرواز با سرعت‌هایی بیشتر از سرعت صوت، طراحی نشده‌اند، به هنگام نزدیک شدن به سرعت صوت، نیروی درگ در آن‌ها به طور ناگهانی افزایش می‌یابد.

این افزایش به دلیل شکل‌گیری امواج ضربه‌ای است، گرچه سرعت هواپیما هنوز از سرعت صوت بیشتر نشده است. این امواج ضربه‌ای منجر به شکل گرفتن میدان‌های فشاری روی بال هواپیما و جدایی قابل‌توجه جریان پشت امواج ضربه‌ای می‌شوند. این دو عامل، نیروی درگ بسیار بزرگی ایجاد می‌کنند. شکل‌گیری امواج ضربه‌ای و افزایش نیروی درگ بسیار بزرگ و ناگهانی هستند و به صورت سدی در برابر شتاب گرفتن بیشتر هواپیما، عمل می‌کنند. تا قبل از سال ۱۹۴۷ میلادی، هیچ هواپیمایی نتوانسته بود بر این افزایش نیروی درگ غلبه کند و دیوار صوتی را بشکند. بنابراین، در آن زمان، مردم در پاسخ به پرسش دیوار صوتی چیست یا سکوت می‌کردند یا آن را دیواری واقعی و غیر قابل عبور می‌دانستند.

آیا دیوار صوتی قبل از سال ۱۹۴۷ شکسته شده بود؟

قبل از سال ۱۹۴۷ میلادی، گلوله‌های توپ و تفنگ با سرعتی سریع‌تر از سرعت صوت حرکت کرده بودند، اما تصور بر این بود که انسان نمی‌تواند سریع‌تر از سرعت صوت حرکت کند.

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.

ثبت نخستین تصویر از امواج ضربه‌ ای

آیا آنچه در تصاویر گرفته شده از هواپیماهای فراصوت دیده می‌شود، انفجار صوتی است ؟

اگر عبارت f18 sonic boom را در گوگل سرچ کنید، تصاویری مانند تصویر زیر، نشان داده می‌شوند. این تصاویر، انفجار صوتی نیستند. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است، این تصاویر چه چیزی را نشان می‌دهند. برای پاسخ به این پرسش، ابتدا انفجار صوتی را بار دیگر به طور خلاصه توضیح می‌دهیم.

سرچ گوگل

جسم ساکنی را در نظر بگیرید. امواج صوتی به طور متناوب توسط جسم با سرعت ۳۴۰ متر بر ثانیه به سمت بیرون، منتشر می‌شوند. امواج صوتی همان هوای پرفشاری است که به سمت بیرون جسم، منتشر می‌شود. هنگامی که جسم با شتاب مشخصی، شروع به حرکت می‌کند، فاصله بین امواج صوت در پشت جسم، افزایش و فاصله آن‌ها در جلوی جسم، کاهش می‌یابد. امواج فشاری نمی‌توانند با سرعتی بیشتر از ۳۴۰ متر بر ثانیه حرکت کنند. هرچه سرعت جسم به سرعت صوت نزدیک‌تر می‌شود، فاصله امواج صوت در جلوی آن کمتر و در نتیجه، فشار در آن ناحیه به طور ناگهانی افزایش می‌یابد. فشار موجی در جلوی جسم به طور قابل‌ملاحظه‌ای، باریک و در حدود یک یا دو نانومتر است.

فشار موجی جلوی هواپیما

فشار موجی ایجاد شده در شرایط عادی دیده نمی‌شود، اما ناحیه‌ای از هوا با فشار بالا می‌تواند مسیر نور را به دلیل شکست، منحرف کند. امواج ضربه‌ای را می‌توانیم با استفاده از وسیله‌های مرتبط، مشاهده کنیم. در تصویر زیر، گلوله‌ای از تفنگ، شلیک می‌شود. در ابتدا، امواج صوتی از دهانه تفنگ به سمت خارج منتشر می‌شوند. در ادامه، گلوله با سرعتی بیشتر از سرعت صوت حرکت می‌کند و از امواج صوتی پیشی می‌گیرد. در پایان، مخروطِ امواج ضربه‌ای توسط گلوله، شکل می‌گیرند. بنابراین، انحراف نور تنها راهِ دیدن انفجار صوتی است. پس آنچه در تصاویر نشان داده شده در گوگل یا در آسمان به هنگام پرواز هواپیمای فراصوت می‌بینیم، چه چیزی را نشان می‌دهد؟

حرکت گلوله با سرعتی بیشتر از سرعت صوت

آنچه می‌بینیم همان چگالش آب در هوا به دلیل کاهش دما است. به طور معمول، بخار آب در هوا دیده نمی‌شود. بخار آب تنها هنگامی دیده می‌شود که هوا از رطوبت و مقدار آب اشباع شده باشد، به گونه‌ای که نتواند رطوبت بیشتری را جذب کند. این حالت هنگامی به دست می‌آید که مقدار آب در هوا را افزایش دهیم. به عنوان مثال، هنگامی که آبِ داخل کتری به جوش می‌آید، بخار آبی که از سطح آن بلند می‌شود را به راحتی مشاهده می‌کنیم. راه دیگر برای انجام این کار، کاهش دمای هوا است.

اگر مقدار رطوبت مطلق ۱۰۰ درصد باشد، بیشینه آبی که هوا در دمای ۳۰ درجه سلسیوس می‌تواند نگه دارد برابر ۳۰ گرم بخار آب در یک متر مکعب هوا است. اگر دمای هوا را به صفر درجه سانتی‌گراد کاهش دهیم، بیشینه بخار آبی که هوا می‌تواند نگه دارد به ۵ گرم در یک متر مکعب هوا، کاهش می‌یابد. هنگامی که دمای هوا به این اندازه کاهش می‌یابد، آب مجبور می‌شود از هوا بیرون بیاید و به شکل ابر یا مخروط بخاری در پشت هواپیماهای فراصوت، دیده می‌شود. اما نکته‌ای که باید به آن توجه کنیم آن است که امواج ضربه‌ای، فشار هوا را به طور ناگهانی افزایش می‌دهند. افزایش فشار، افزایش دما را به دنبال دارد. به همین دلیل، امواج ضربه‌ای را نمی‌بینیم. آنچه دیده می‌شود، نقطه مقابل این امواج، یعنی «پنکه انبساطی» (Expansion fan) است. پنکه انبساطی هنگامی رخ می‌دهد که جریان فراصوت در ناحیه‌ای حرکت می‌کند که می‌تواند منبسط شود، مانند گوشه‌های محدب پس از ضخیم‌ترین قسمت بال هواپیما. در این قسمت، مخروط‌های بخار شکل می‌گیرند.

مخروط بخار

نیروی درگ چیست ؟

به هنگام پاسخ به پرسش دیوار صوتی چیست، در مورد افزایش نیروی درگ در سرعت‌‌های نزدیک سرعت صوت، صحبت کردیم. در این قسمت، در مورد نیروی درگ و مفهوم آن کمی توضیح می‌دهیم. هنگامی که جسمی داخل سیال ساکنی مانند هوا یا آب حرکت می‌کند، سیال نیرویی بر جسم وارد می‌کند. این نیرو را می‌توان به دو مولفه تقسیم کرد:

  1. مولفه‌ای در راستای حرکت سیال: به این مولفه، نیروی درگ گفته می‌شود.
  2. مولفه‌ای در راستای عمود بر حرکت سیال: به این مولفه، نیروی بالابر گفته می‌شود.
نیروی درگ

اگر سیال، گازی شکل باشد (مانند هوا)، به این نیروها، نیروهای آیرودینامیکی می‌گوییم. همچنین، اگر سیال، مایع باشد (مانند آب یا هر سیال مایعی)، به این نیروها، نیروهای هیدرودینامیکی گفته می‌شود. در بیشتر مواقع، نیروهای درگ خوشایند نیستند. آن‌ها می‌توانند مصرف سوخت را به طور قابل‌ملاحظه‌ای افزایش دهند و بر عملکرد وسایل، تاثیر منفی بگذارند. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که این نیروها از کجا می‌آیند.

نیروی درگ، توسط دو نوع تنش ایجاد می‌شود:

  1. تنش برشی دیوار: این تنش به صورت مماس بر سطح جسم وارد می‌شود. این تنش به دلیل نیروی اصطکاک ناشی از گرانروی سیال، به وجود می‌آید.
  2. تنش فشاری: عمود بر سطح جسم بر آن وارد می‌شوند. این تنش به دلیل توزیع فشار در اطراف جسم، به وجود می‌آید.

نیروی درگ در اثر این دو تنش و در راستای سیال، ایجاد می‌شود. بنابراین، اگر به طور دقیق بدانیم که تنش‌ها چگونه روی سطح جسم، توزیع شده‌اند، با گرفتن انتگرال از آن‌ها می‌توانیم نیروی درگ را به‌دست آوریم:

$$F_ D = \int_{ A } ( - p \cos \theta + \tau_{w} \sin \theta ) \ d A$$

به مولفه‌ای از نیروی درگ که به دلیل تنش برشی ایجاد می‌شود، درگ اصطکاک گفته می‌شود. همچنین، به مولفه‌ای از نیروی درگ که به دلیل تنش فشاری ایجاد می‌شود، درگ فشاری می‌گوییم. اندازه درگ فشاری در اجسامی مانند کره، بسیار زیاد است. این نیرو به دلیل تفاوت فشار بین جلو و عقب کره، به وجود می‌آید. مقدار این نیرو هنگامی که جدایی سیال اتفاق می‌افتد، به طور قابل‌ملاحظه‌ای افزایش می‌یابد.

مطلب پیشنهادی:
نیروی درگ (Drag) چیست؟ — یادگیری در قالب مثال
شروع مطالعه

آیا باد می تواند سریع تر از سرعت صوت حرکت کند ؟

بله، باد می‌تواند سریع‌تر از سرعت صوت حرکت کند. باد، تنها حرکت توده‌ای از هوا در فضا است. تنها محدودیتی که در حرکت اجسامِ بزرگ‌مقیاس وجود دارد، سرعت نور است. هیچ جسمی با جرم m نمی‌تواند در خلأ، سریع‌تر از سرعت نور حرکت کند. سرعت صوت در این مورد با سرعت نور متفاوت است. به بیان دیگر، هیچ محدودیتی برای اجسام برای رسیدن به سرعت صوت و فراتر از آن وجود ندارد. همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم سرعت صوت به ما می‌گوید موج مکانیکی با چه سرعتی در محیط حرکت می‌کند. مقدار این سرعت در محیط‌های متفاوت، تغییر می‌کند.

سرعت باد و سرعت صوت دو مفهوم کاملا متفاوت هستند. سرعت باد، سرعت توده‌ای از هوا است که نسبت به ناظری خارجی و ساکن، حرکت می‌کند. از این‌رو، سرعت باد به چارچوب مرجع انتخابی بستگی دارد. در مقابل، سرعت صوت برابر سرعت ارتعاش موج، درون ماده نسبت به آن ماده است. بنابراین، سرعت صوت به چارچوب مرجع بستگی ندارد. چارچوب مرجع را می‌توانیم به گونه‌ای انتخاب کنیم که باد در آن با سرعتی نزدیک به سرعت صوت حرکت کند.

آیا شکستن دیوار صوتی با ماشین امکان پذیر است ؟

در ۱۵ اکتبر سال ۱۹۹۷ میلادی، 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.

ماشین فراصوت

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

بر اساس رای ۱۵ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
شما قبلا رای داده‌اید!
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

«مهدیه یوسفی» دانش‌آموخته مقطع دکتری نانوفناوری است. از جمله مباحث مورد علاقه او فیزیک، نانوفناوری و نقاشی است. او در حال حاضر، در زمینه آموزش‌های فیزیک در مجله فرادرس می‌نویسد.

2 نظر در “دیوار صوتی چیست و چگونه می شکند؟ – به زبان ساده

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *