Die Problematik des Überschallknalls - Katerina Kaouri

Die ganze Lektion unter: http://ed.ted.com/lessons/what-causes-sonic-booms-katerina-kaouri

Objekte, die schneller als die Schallgeschwindigkeit fliegen (wie wirklich schnelle Flugzeuge) erzeugen eine Druckwelle, die von einem donnergleichen Lärm begleitet wird: dem Überschallknall. Diese gewaltigen Geräusche können bei Menschen und Tieren Schmerzen verursachen und sogar nahegelegene Gebäude beschädigen. Katerina Kaouri beschreibt genau, wie Wissenschaftler Mathematik einsetzen, um die Wege der Überschallknalle in der Atmosphäre, wo sie auftreffen und wie laut sie sein werden, vorherzusagen.

Lektion von Katerina Kaouri, Animation von Anton Bogaty.

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.