فُتنَ البشر بالسرعة منذ أزمنةٍ بعيدة.
إنّ تاريخ التّطور البشريّ هو أحد السرعات دائمة الزّيادة،
وأحد أهمّ الإنجازات في هذا السّباق التّاريخيّ،
كان اختراق حاجز الصّوت.
لم يمض وقتٌ طويلٌ بعد نجاح أولى رحلات الطّيران،
حتّى تحمّس الطّيارون لجعل طائراتهم تطير أسرع فأسرع.
لكن عند قيامهم بذلك، كانت الإضطرابات المتزايدة،
والقوى الهائلة على الطّائرة قد منعتهم من زيادة سرعتهم أكثر.
حاول البعض التّحايل على المشكلة من خلال انقضاضاتٍ محفوفةٍ بالمخاطر،
غالبًا ما كانت تنتهي بنتائج مأساوية.
أخيراً، في عام 1947، وبعد إدخال تحسيناتٍ على التّصاميم،
كجهاز التّوازن الأفقي المتحرك، الذّيل كليّ الحركة،
سمحت للطيّار الحربي الأمريكي تشاك ييغر،
بأن يطير بطائرة "بيل إكس 1" بسرعةٍ بلغت 1127 كم/ساعة،
ليصبح بذلك أول شخص يخترق حاجز الصّوت،
ويسافر بسرعةٍ أكبر من سرعة الصّوت.
تعتبر طائرة "بيل إكس 1" واحدة من عدّة طائرات لاحقة خارقةٍ للصّوت،
بتصميماتٍ لطائراتٍ تصل لسرعاتٍ أكثر من 3 ماخ.
الطائرات التّي تطير بسرعةٍ أكبر من سرعة الصّوت تخلق موجاتٍ تصادميّةٍ
مترافقةٍ مع ضوضاء كالرّعد يُعرَف باسم دويّ اختراق حاجز الصّوت،
ممّا يسبّب ضيقًا للأشخاص والحيوانات في الأسفل،
أو حتّى إلحاق الضّرر بالأبنية.
لهذا السّبب،
قام العلماء حول العالم بتتبّع دويّ اختراق حاجز الصّوت،
في محاولةٍ للتّنبّؤ بمساره في الغلاف الجوي،
وفي أي مكان سيحطّ، وكم سيكون صوته صاخبًا.
لنفهم كيفية دراسة العلماء لدويَّ اختراق حاجز الصّوت بشكلٍ أفضل،
دعونا نبدأ ببعض أساسيات الصّوت.
تخيّل إلقاء حجر صغير في بركةٍ ساكنة.
ما الذّي تراه؟
يسبّب الحجر أمواجًا تنتقل في الماء،
بنفس السّرعة في كل الاتجاهات.
تدعى هذه الدّوائر التّي تستمرّ في النّمو بشكلٍ نصف قطريٍّ بالجبهات الموجيّة.
على نحوٍ مماثلٍ، وبالرّغم عن عدم قدرتنا على رؤيتها،
فإنّ مصدر صوتٍ ثابتٍ، كجهاز ستريو منزليّ،
يخلق أمواجًا صوتيّةً تتّجه للخارج.
تعتمد سرعة الأمواج على عوامل
كارتفاع و حرارة الهواء التّي تنتقل خلاله.
عند مستوى سطح البحر، تنتقل الأصوات بسرعةٍ تصل إلى 1225 كم/ساعة.
لكن بدلًا من دوائر على سطح ثنائي الأبعاد،
فإنّ الجبهات الموجيّة هي دوائر متّحدة المركزالآن،
مع صوتٍ ينتقل بمحاذاة أشعّةٍ متعامدةٍ مع هذه الموجات.
تخيّل الآن مصدر صوتٍ متحرك، كصافرة قطار.
فطالما أنّ المصدر يستمرّ بالتّحرك في اتّجاه ٍمعيّنٍ،
فإنّ الموجات المتتابعة أمامه ستجتمع مقتربةً من بعضها.
تردّد الموجة العظمي هذا هو السّبب فيما يسمّى بتأثير دوبلر الشّهير،
حيث تصدر الأجسام المقتربة صوتًا ذا نبرةٍ عالية.
ولكن طالما أنّ المصدر يتحرك بسرعةٍ أبطئ من موجات الصّوت نفسها،
فإنهّا ستبقى محتواة فيما بينها.
إنّه عندما ينتقل الجسم بسرعة فوق صوتيّة، أي يتحرك أسرع من الصّوت الذّي يصدره،
فهو مايغيّر الصّورة بشكلٍ كبير.
بإجتيازها الأمواج الصوتيّة التّي تصدرها،
بينما تولِّد أخرى جديدةً من موقعها الحالي،
فإنّ الأمواج تضغط سويّةً، لتشكل مخروط ماخ.
لا يُسمع أيّ صوتٍ عند إقترابها من مراقبٍ ما،
لأنّ الجسم ينتقل بسرعةٍ أكبر من الصّوت الذّي يصدره.
عندما يجتاز الجسم المراقب فحينها فقط سيسمع صوت الدوّي.
عندما يلتقي مخروط ماخ بالأرض فإنّه يشكّل قطعًا زائدًا،
مخلفًا أثراً يعرف بسجادة الدويّ عندما تتحرّك للأمام.
هذا يجعل تحديد المنطقة المتأثّرة بدويّ اختراق حاجز الصّوت ممكنًا.
ماذا عن اكتشاف مدى قوّة دويّ اختراق حاجز الصّوت؟
هذا يقتضي حلّ معادلات نافير-ستوكس الشّهيرة،
لإيجاد التّباينات في ضغط الهواء
الذّي تسبّبه الطّائرة فوق الصّوتيّة عند طيرانها خلاله.
ينتج عن ذلك شارة الضّغط المعروفة باسم الموجة N.
ما الذّي يعنيه هذا الشّكل؟
حسنًا، يحدث دويّ اختراق حاجز الصّوت عندما يحصل تغيّرٌ مفاجئُ في الضّغط،
وتشتمل موجة N على دوييّن:
الأوّل لضغطٍ ابتدائيٍّ ينشأ عند مقدمة الطائرة،
والآخر عندما يمّر الذّيل،
ثمّ يعود الضّغط فجأةً لطبيعته.
يؤدي ذلك لدويٍّ مزدوج،
ولكنّه يُسمع عادةً كصوت دويٍّ واحدٍ بالأذن البشريّة.
في الناحية العمليّة، إنّ نماذج الحاسوب التّي تستخدم هذه المبادئ،
تستطيع غالبًا التننبؤ بموقع وشدة دويّ اختراق حاجز الصّوت،
لظروفٍ جويّةٍ ومسارات رحلات طيران محدّدة،
كما أنّ هنالك بحوثًا مستمرّةً للتّخفيف من آثارها.
في الوقت الرّاهن، مايزال الطّيران بأعلى من سرعة الصّوت فوق اليابسة ممنوعًا.
إذًا، هل يعدّ اختراق حاجز الصّوت ابتكارًا حديثًا؟
ليس تمامًا.
بينما نحاول العثور على طرق لجعلها صامتةً،
كانت حيواناتٌ أخرى تستخدم دويّ اختراق حاجز الصّوت لمصلحتها.
فقد كانت ديناصورات الدّيبلودوكوس الضّخمة قادرةً على فرقعة ذيلها،
بسرعةٍ أسرع من الصّوت، تبلغ 1200 كم/ساعة، ربما لردع الحيوانات المفترسة.
كما يمكن لبعض أنواع الجمبري إصدار موجةٍ صادمةٍ مشابهةٍ تحت الماء،
لصعق أو حتي لقتل الفريسة من مسافةٍ بعيدةٍ،
بمجرد قرقعةٍ من كلّاباتها كبيرة الحجم.
إذًا بينما نحن البشر كنا قد حققنا تطوّراً كبيرًا،
في سعيينا المستمر للحصول على السّرعة،
تبيّن أنّ الطّبيعة قد سبقتنا إلى ذلك أولاً.