Скорость веками завораживала человека.
Развитие человечества связано с постоянным ростом скоростей,
и одним из важнейших достижений в этой исторической гонке
стало преодоление звукового барьера.
Вскоре после первых полётов
пилоты начали всё сильнее и сильнее разгонять свои самолёты.
Это приводило к увеличению турбулентности,
а также сил сопротивления, мешавших дальнейшему ускорению.
Некоторые пытались обойти проблему, предпринимая опасные манёвры,
которые часто заканчивались трагично.
Наконец в 1947 году такие конструктивные улучшения,
как цельноповоротный хвост — подвижный горизонтальный стабилизатор,
позволили пилоту ВВС США Чаку Йегеру
разогнать летательный аппарат Bell X-1 до скорости 1127 км/ч.
Он стал первым человеком, преодолевшим звуковой барьер
и двигавшимся быстрее скорости звука.
Bell X-1 был первой ласточкой среди сверхзвуковых летательных аппаратов,
а дальнейшие доработки позволили ему достичь скоростей выше трёх Махов.
Летя на сверхзвуковой скорости, аппарат создаёт ударную волну
с громоподобным грохотом, известным как звуковой удар,
который способен нанести ущерб людям и животным на земле
и даже повредить строения.
По этой причине
учёные всего мира изучают звуковые удары,
пытаясь предугадать их траекторию в атмосфере,
место приземления и громкость.
Чтобы лучше понять, как учёные это делают,
давайте сначала разберёмся, что такое звук.
Представьте, что бросаете камешек в тихий пруд.
Что вы видите?
Камень вызывает волны, которые расходятся по воде
со скоростью, одинаковой во всех направлениях.
Эти увеличивающиеся в диаметре круги называются волновые фронты.
И хотя мы этого не видим,
неподвижный источник звука, к примеру, домашняя аудиосистема,
также создаёт расходящиеся звуковые волны.
Скорость волн зависит от ряда факторов,
таких как высота и температура окружающего воздуха.
Скорость звука на уровне моря приблизительно равна 1225 км/ч.
Но в отличие от кругов на плоской поверхности,
волновые фронты в этом случае — концентрические сферы,
где звук движется вдоль лучей, перпендикулярных волнам.
Представьте подвижный источник звука, например, гудок поезда.
Когда источник движется в определённом направлении,
ряд волн впереди него уплотняется.
Увеличенная частота волн — причина знаменитого эффекта Доплера,
когда звук объектов кажется выше с их приближением.
Но пока источник звука движется медленнее, чем сами звуковые волны,
они остаются вложенными друг в друга.
При переходе объекта на сверхзвук, движение быстрее создаваемого звука,
картина резко меняется.
Как только объект обгоняет выпущенные звуковые волны,
одновременно создавая новые из текущего положения,
они схлопываются, формируя конус Маха.
Наблюдатель не слышит ни звука при приближении конуса,
потому что источник движется быстрее, чем звук, который он создаёт.
Только когда объект пронесётся мимо, мы услышим звуковой удар.
В месте пересечения конуса Маха с землёй образуется гипербола,
которая, двигаясь вперёд, оставляет след, известный как звуковой ковёр.
Это позволяет определить область, подвергшуюся звуковому удару.
А как вычислить его возможную силу?
Для этого требуется решить знаменитую систему уравнений Навье — Стокса,
чтобы найти изменение давления в воздухе,
вызванное перемещением в нём сверхзвукового летательного аппарата.
В результате получают сигнатуру давления, известную как N-образная волна.
Что означает такая форма?
Звуковой удар возникает при внезапном изменении давления,
и N-образная волна описывает два удара:
первый — при изначальном росте давления у носовой части аппарата,
а второй — после прохождения хвостовой части
и внезапного возвращения давления к нормальным значениям.
Из-за этого происходит два хлопка,
но человеческое ухо обычно воспринимает их как один.
На практике компьютерные модели, использующие эти принципы,
часто могут предсказать место появления и интенсивность звуковых ударов
для данных атмосферных условий и траектории полёта,
и ведутся поиски способов снизить вред от ударов.
А пока сверхзвуковые полёты над землёй остаются под запретом.
Являются ли звуковые удары чем-то новым?
Не совсем.
Пока мы ищем способы заглушить их,
некоторые животные издавна используют звуковые удары себе на пользу.
Гигантский диплодок, похоже, мог щёлкать своим хвостом быстрее звука,
со скоростью свыше 1200 км/ч, возможно, для отпугивания хищников.
Некоторые разновидности креветок тоже могут создавать ударные волны под водой,
оглушая или даже убивая жертву на расстоянии
одним щелчком своей огромной клешни.
Так что хотя мы, люди, и достигли большого прогресса
в нашей неустанной погоне за скоростью,
как оказывается, природа была быстрей.