Geschwindigkeit fasziniert die Menschen seit Ewigkeiten.
Der menschliche Fortschritt beruht auf ständig steigender Geschwindigkeit
und einer der wichtigsten Leistungen in diesem historischen Wettlauf
war das Durchbrechen der Schallmauer.
Kurz nach den ersten erfolgreichen Flügen
waren die Piloten begierig darauf, ihre Flugzeuge immer schneller zu fliegen.
Dabei verhinderten zunehmende Turbulenzen
und auf das Flugzeug wirkende Kräfte die weitere Beschleunigung.
Manche versuchten das Problem durch riskante Sturzflüge zu umgehen,
die häufig tragisch endeten.
Schließlich ermöglichte 1947 ein verbessertes Design,
wie etwa das einstellbare Höhenleitwerk, das Pendelhöhenleitwerk,
einem amerikanischen Militärpiloten namens Chuck Yeager
das Flugzeug Bell X-1 mit 1127 km/h zu fliegen
und als erster Mensch die Schallmauer zu durchbrechen
und sich schneller als der Schall zu bewegen.
Die Bell X-1 war das erste von vielen nachfolgenden Überschallflugzeugen,
die mit späterer Bauweise, Geschwindigkeiten über Mach 3 erreichten.
Flugzeuge mit Überschallgeschwindigkeit erzeugen eine Druckwelle
mit einem donnergleichen Lärm, dem Überschallknall,
der bei darunter befindlichen Menschen und Tieren Schmerzen verursacht,
oder sogar Gebäude beschädigt.
Darum untersuchten Wissenschaftler weltweit den Überschallknall,
bemühten sich ihren Weg in der Atmosphäre vorherzusagen,
wo sie auftreffen und wie laut sie sein werden.
Um besser zu verstehen,
wie Wissenschaftler den Überschallknall untersuchen,
beginnen wir mit Grundlagen des Schalls.
Angenommen du wirfst einen kleinen Stein in einen ruhigen Teich.
Was siehst Du?
Der Stein verursacht Wellen,
die sich im Wasser in jede Richtung mit derselben Geschwindigkeit ausbreiten.
Die Kreise, deren Radius größer wird, nennt man Wellenfronten.
In ähnlicher Weise, obwohl wir sie nicht sehen können,
erzeugt eine feststehende Schallquelle, wie eine Stereoanlage, Schallwellen,
die sich nach außen fortpflanzen.
Die Geschwindigkeit der Wellen hängt von Faktoren ab,
wie der Höhe und der Lufttemperatur, durch die sie sich bewegen.
Auf Meereshöhe bewegt sich Schall mit ungefähr 1225 km/h.
Aber statt Kreisen auf einer zweidimensionalen Oberfläche
sind die Wellenfronten nun konzentrische Kugeln,
wobei sich der Schall an Strahlen längs bewegt,
die lotrecht zu diesen Wellen verlaufen.
Denke nun eine Schallquelle in Bewegung, wie etwa eine Zugpfeife.
Bewegt sich die Quelle in eine bestimmte Richtung weiter,
werden die fortlaufenden Wellen davor dicht aneinander gepackt.
Die größere Wellenfrequenz ist die Ursache für den berühmten Doppler-Effekt,
wobei näher kommende Objekte in einer höheren Tonlage klingen.
Aber solange sich die Quelle langsamer als die Schallwellen bewegt,
bleiben sie ineinander verschachtelt.
Durchbricht ein Objekt die Schallmauer, indem es schneller als der Schall ist,
ändert sich das Bild dramatisch.
Da es Schallwellen überholt, die es ausgesendet hat,
während es neue Wellen am aktuellen Aufenthaltsort erzeugt,
werden diese zusammen gezwungen, einen Mach'schen Kegel zu bilden.
Kein Ton ist zu hören, wenn es sich einem Beobachter nähert,
weil sich das schallerzeugende Objekt schneller als der Schall bewegt,
Erst nachdem sich das Objekt vorbei bewegt hat,
hört der Beobachter den Überschallknall.
Dort wo der Mach'sche Kegel auf den Boden trifft,
bildet sich eine Hyperbel,
indem es bei der Vorwärtsbewegung eine Spur hinterlässt, die Schallschleppe.
Dadurch lässt sich das Gebiet bestimmen, das der Überschallknall getroffen hat.
Wie findet man heraus, wie stark ein Überschallknall sein wird?
Das erfordert die berühmten Navier-Stokes-Gleichungen zu lösen,
um die Schwankungen des Luftdrucks zu bestimmen,
während das Überschallflugzeug durch diese Luft fliegt.
Das hat die als N-Welle bekannte Drucksignatur zur Folge.
Was hat es mit dieser Form auf sich?
Der Überschallknall tritt auf, wenn es eine plötzliche Druckänderung gibt
und die N-Welle umfasst zwei Knalle:
einen, bei dem ersten Druckanstieg an der Flugzeugnase,
und einen weiteren, wenn das Heck den Schall überholt,
und der Druck plötzlich wieder normal wird.
Das verursacht einen doppelten Knall,
den das menschliche Ohr aber gewöhnlich als einzelnen Knall wahrnimmt.
In der Praxis können Computermodelle, die diese Grundlagen anwenden,
häufig Ort und Stärke des Überschallknalls
für eingegebene Witterungsverhältnisse und Flugbahnen vorherbestimmen.
Es wird permanent geforscht, um ihre Wirkungen abzuschwächen.
Derweil bleiben Überschallflüge über dem Land verboten.
Ist der Überschallknall eine kürzliche Schöpfung?
Nicht unbedingt.
Während wir versuchen sie leiser zu machen,
haben ein paar Tierarten Überschallknalle zu ihrem Vorteil genutzt.
Der riesige Diplodocus konnte möglicherweise
seinen Schwanz mit über 1200 km/h schneller als den Schall knallen lassen,
möglicherweise um Räuber abzuschrecken.
Manche Krebsarten erzeugen unter Wasser auch eine ähnliche Druckwelle,
um Beute mit nur einem Peitschenknall ihrer übergroßen Scheren
aus der Entfernung zu betäuben oder sogar zu töten.
Während wir Menschen große Fortschritte gemacht haben
bei unserem unablässigen Streben nach Geschwindigkeit,
stellt sich heraus, dass die Natur schneller war.