انسان برای قرنها شیفته و مجذوب سرعت بوده.
تاریخ پیشرفت بشر همواره پرشتاب بوده است،
و یکی از مهمترین دستاوردهای انسان در این عصر تاریخی
شکستن دیوار صوتی بود.
مدت کوتاهی پس از اولین پرواز موفقیتآمیز هواپیما،
خلبانان مشتاق شدند تا هواپیمایشان سریع و سریعتر حرکت کند.
اما با اینکار تلاطم هواپیما افزایش یافته
و نیروهای مقاوم بزرگ بر هواپیما از سرعت بیشتر جلوگیری میکرد.
برخی تلاش کردند با شیرجه خطرناک مشکل را دور بزنن،د
که اغلب نتایج غم انگیزی داشت.
آخر سر، در سال ۱۹۴۷، طراحی پیشرفت کرد،
و این تثبیت کننده افقی قابل حرکت بود، که دم هواپیمای کاملاً متحرک شد،
و اجازه داد که خلبان ارتش آمریکا به نام چاک ییگر
با هواپیمایBell X-1 با سرعت ۱٫۱۲۷ کیلومتر بر ساعت حرکت پرواز کند.
و اولین کسی شد که دیوار صوتی را شکست
و از سرعت صوت سریعتر سفر کرد.
Bell X-1 اولین هواپیما از تعداد زیادی هواپیمای مافوق صوت بود که پس از آن آمدند،
و طرحهایی که به سرعت بیش از ۳ ماخ رسیدند. (نسبت سرعت جسمی در سیال به سرعت صوت)
هواپیماهایی که مافوق سرعت حرکت میکنند امواج شوک درست میکنند
همراه با صدایی شبیه رعد و برق که بمب صوتی خوانده می شود،
که میتواند ناراحتیهایی برای مردم و حیوانات در آن پائین ایجاد کند
حتی میتواند به ساختمانها آسیب برساند.
به همین دلیل،
دانشمندان در سراسر جهان که به دنبال بمبهای صوتی هستند،
تلاش میکنند تا مسیر آنها را در جو پیش بینی کنند،
کجا آنها پایان مییابند، و صدای آنها چقدر بلند خواهد بود.
برای درک بهترچگونگی مطالعه بمبهای صوتی،
بگذارید با برخی از خاصیتهای اصلی صدا شروع کنیم.
تصور کنید که یک سنگ کوچک در آب یک برکه پرتاب کنید.
چه چیزی را میبینید؟
سنگ باعث میشود که امواج در آب
با سرعتی ثابت در همه جهتها حرکت کند.
شعاع دایرهها بزرگتر و بزرگتر میشود و به آن جبهه موج میگویند.
مشابه آن، حتی با اینکه نمیتوانیم آن را ببینیم،
یک منبع ثابت صدا، مانند استریوی خانگی،
امواج صوتی را میسازد که در اطراف حرکت میکنند.
سرعت امواج بستگی به عواملی
مانند ارتفاع و دمای هوایی که صدا در آن حرکت میکند دارد.
در سطح دریا، صوت با سرعت ۱٫۲۲۵ کیلومتر بر ساعت حرکت میکند.
اما به جای حرکت در سطح دو بُعدی،
جبه امواج بشکل کرههای متحدالشکل حرکت میکنند،
با صدایی که شعاع آن عمود بر این امواج هستند.
حال یک منبع صدای در حال حرکت، مانند سوت قطار را تصور کنید.
همانطور که منبع صدا در جهت معینی حرکت میکند،
موج های متوالی در مقابل آن تبدیل به دستهای خواهد شد که به هم نزدیک میشوند.
فرکانس این موج بزرگتر باعث ایجاد اثرمشهور دوپلر میشود،
که در آن جسمی که نزدیک میشود صدای بلندتری ایجاد میکند.
اما تا زمانی که منبع صوت سرعتی کمتر امواج خود صدا دارد،
آنها با هم باقی میمانند.
هنگامی که جسمی مافوق صوت، سریع تر از صدایی که میسازد درحرکت است،
وضعیت کاملاً تغییر میکند.
جسم از امواجی که خود ساخته، سبقت میگیرد،
و همزمان امواج جدیدی از موقعیت فعلیاش تولید میکند،
امواج به هم فشرده شده و یک ماخ مخرطی ایجاد میکنند.
ناظر با نزدیک شدن جسم هیچ صدایی نمیشنود
زیرا جسم سریعتر از صوت خود حرکت میکند.
تنها پس از اینکه جسم رد شد ناظر صدای بمب صوتی را میشنود.
جایی که مخروط ماخ با زمین برخورد میکند، یک هذلولی شکل میگیرد،
با رفتن به جلو دنباله ای به نام بستر بمب صوتی ایجاد میکند.
این امکان را برای تعیین منطقه تحت تاثیر بمب صوتی ایجاد میکند.
در مورد اینکه بفهمیم که یک بمب صوتی چقدر قوی خواهد بود چطور؟
این به حل معادلات دیفرانسیل معروف «ناویر-استوکس» بستگی دارد
تا تغییرات فشار هوا را
با توجه به هواپیمای مافوق صوتی که در آن پرواز میکند، بیابیم.
این نتایج ناشی از فشار به نام N-موج (N-wave) شناخته شده است.
این شکل به چه معناست؟
خوب، انفجار صوتی هنگامی که تغییری ناگهانی در فشاربوجود آید رخ می دهد،
و N-موج شامل دو غرش هست:
یکی برای افزایش فشار اولیه در دماغه هواپیما،
و دیگری برای زمانی که دم هواپیما عبور میکند،
و فشار ناگهان به حالت عادی باز می گردد.
این باعث ایجاد دو غرش میشود،
اما معمولا گوشهای انسان آن را تنها به صورت یک صدا میشنود.
استفاده از این اصول در مدلهای کامپیوتری
اغلب میتواند محل و شدت بمب صوتی را برای
با توجه شرایط اتمسفر و خط مسیر پرواز پییش بینی کند،
و تحقیقاتی برای کاهش اترات آن در حال انجام هست.
در این میان، پرواز مافوق صوت بر روی زمین همچنان ممنوع است.
خُب، آیا بمب صوتی اخیراً ایجاد شده است؟
دقیقاً نه.
در حالیکه سعی داریم راههایی برای خاموشی آن بیابیم،
تعداد کمی از حیوانات از بمب صوتی به نفع خود استفاده می کنند.
دیپلودکس غول پیکر میتوانست دُم خودش را سریعتر از صوت تکان بدهد،
بیش از ۱٫۲۰۰ کیلومتر بر ثانیه، از شکارچیان محفوظ بماند.
همچنین برخی از انواع میگو میتوانند شوک مشابهی را در زیرآب ایجاد کنند،
که سبب گیج کردن و یا حتی کشتن شکارچی در فاصلهای مشخص
تنها با به هم زدن ناگهانی پنجههای بزرگشان میشود.
خب در حالی که ما انسانها پیشرفت بزرگی
در تعقیب بی امان سرعت داشتهایم،
ولی معلوم شد که طبیعت از ابتدا این پدیده را داشت.