Το πρόβλημα του ηχητικού μπουμ - Κατερίνα Καούρη

Δείτε όλο το μάθημα: http://ed.ted.com/lessons/what-causes-sonic-booms-katerina-kaouri

Τα αντικείμενα που ταξιδεύουν με ταχύτητα μεγαλύτερη του ήχου (όπως πολύ γρήγορα αεροπλάνα), δημιουργούν ένα ωστικό κύμα, που συνοδεύεται από έναν θόρυβο σαν βροντή: το ηχητικό μπουμ. Αυτοί οι επικοί ήχοι μπορεί να προκαλέσουν δυσφορία στους ανθρώπους και τα ζώα, ακόμα και ζημιές σε κτίρια. Η Κατερίνα Καούρη περιγράφει πώς ακριβώς οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τα Μαθηματικά για να προβλέψουν τη διάδοση των ηχητικών μπουμ στην ατμόσφαιρα, πού θα καταλήξουν και πόσο δυνατά θα είναι.

Μάθημα από την Κατερίνα Καούρη, ψηφιακή απεικόνιση από τον Άντον Μπογκάτι.

Οι άνθρωποι πάντα έβρισκαν
συναρπαστική την ταχύτητα.

Η ιστορία της προόδου της ανθρωπότητας
είναι ιστορία αυξανόμενης ταχύτητας

και ένα από τα πιο σημαντικά επιτεύγματα
αυτού του ιστορικού αγώνα δρόμου

ήταν το σπάσιμο του φράγματος του ήχου.

Λίγο μετά τις πρώτες επιτυχημένες
πτήσεις αεροπλάνων,

οι πιλότοι ανυπομονούσαν τα αεροπλάνα
τους να πηγαίνουν όλο και γρηγορότερα.

Αλλά οι αυξανόμενοι στροβιλισμοί

και οι ισχυρές δυνάμεις στα αεροπλάνα
τούς απέτρεπαν από μεγαλύτερες ταχύτητες.

Κάποιοι προσπάθησαν να παρακάμψουν
το πρόβλημα με ριψοκίνδυνες βουτιές,

συχνά με τραγικά αποτελέσματα.

Τελικά, το 1947, οι βελτιώσεις
στον σχεδιασμό,

όπως ένας κινητός οριζόντιος
σταθεροποιητής, το κινητό ουραίο πτέρωμα

επέτρεψαν στον Αμερικανό
στρατιωτικό πιλότο Τσακ Γιέγκερ

να πετάξει το αεροσκάφος
Bell X-1 με 1127 χλμ/ώρα

και να γίνει ο πρώτος άνθρωπος,
που έσπασε το φράγμα του ήχου

και ταξίδεψε γρηγορότερα
από την ταχύτητα του ήχου.

Το Bell X-1 ακολούθησαν
πολλά υπερηχητικά αεροσκάφη,

και τα επόμενα μοντέλα έφτασαν
μέχρι ταχύτητες 3 Μαχ.

Αεροσκάφη, που ταξιδεύουν σε υπερηχητικές
ταχύτητες, δημιουργούν ένα ωστικό κύμα

με έναν κρότο σαν βροντή,
που ονομάζεται ηχητικό μπουμ,

μπορεί να προκαλέσει δυσφορία
σε ανθρώπους και ζώα στη γη

ακόμα και ζημιές σε κτίρια.

Γι' αυτό,

οι επιστήμονες ανά τον κόσμο
μελετούν τα ηχητικά μπουμ,

προσπαθούν να προβλέψουν
τη διαδρομή τους στην ατμόσφαιρα,

πού θα καταλήξουν στη γη
και πόσο δυνατά θα είναι.

Για να καταλάβουμε καλύτερα πώς μελετούν
οι επιστήμονες τα ηχητικά μπουμ,

ας ξεκινήσουμε με τα βασικά του ήχου.

Φανταστείτε ότι πετάμε
μια μικρή πέτρα σε μια λιμνούλα.

Τι βλέπετε;

Η πέτρα δημιουργεί κύματα,
που ταξιδεύουν στο νερό

με την ίδια ταχύτητα προς
όλες τις κατευθύνσεις.

Αυτοί οι κύκλοι, των οποίων η ακτίνα
μεγαλώνει ονομάζονται «μέτωπα κύματος».

Παρόμοια, αν και δεν τα βλέπουμε,

μια ακίνητη πηγή ήχου,
όπως ένα στερεοφωνικό,

δημιουργεί ηχητικά κύματα
που ταξιδεύουν προς τα έξω.

Η ταχύτητα των κυμάτων
εξαρτάται από παράγοντες,

όπως το υψόμετρο και η θερμοκρασία
του αέρα μέσα στον οποίο ταξιδεύουν.

Στο επίπεδο της θάλασσας, ο ήχος
ταξιδεύει με περίπου 1225 χλμ/ώρα.

Αλλά αντί για κύκλους
σε μια διδιάστατη επιφάνεια,

τα μέτωπα κύματος είναι
τώρα ομόκεντρες σφαίρες,

με τον ήχο να ταξιδεύει κατά μήκος
ακτίνων κάθετων σε αυτά τα κύματα.

Τώρα φανταστείτε μία κινούμενη πηγή ήχου,
όπως τη σφυρίχτρα ενός τρένου.

Καθώς η πηγή κινείται
προς κάποια κατεύθυνση,

τα διαδοχικά κύματα μπροστά του
συμπυκνώνονται όλο και περισσότερο.

Αυτή η μεγαλύτερη συχνότητα των κυμάτων
είναι η αιτία του φαινομένου Ντόπλερ,

στο οποίο αντικείμενα, που πλησιάζουν
ακούγονται πιο υψίσυχνα.

Αλλά όσο η πηγή κινείται αργότερα
από τα ακουστικά κύματα,

αυτά παραμένουν το ένα μέσα στο άλλο.

Όταν όμως ένα αντικείμενο
γίνει υπερηχητικό,

δηλαδή κινείται γρηγορότερα από τον ήχο
που παράγει, η εικόνα αλλάζει δραματικά.

Καθώς προσπερνά τα ηχητικά
κύματα, που έχει εκπέμψει,

ενώ δημιουργεί καινούρια στη νέα του θέση,

τα κύματα συμπιέζονται
και σχηματίζουν έναν κώνο Μαχ.

Δεν ακούγεται κανένας ήχος
καθώς πλησιάζει έναν παρατηρητή,

επειδή το αντικείμενο ταξιδεύει
γρηγορότερα από τον ήχο που παράγει.

Μόνο αφού το αντικείμενο έχει περάσει από
τον παρατηρητή ακούγεται το ηχητικό μπουμ.

Εκεί που ο κώνος Μαχ συναντά το έδαφος,
σχηματίζει μια υπερβολή

και αφήνει ένα ίχνος, τον «τάπητα του
μπουμ», καθώς ταξιδεύει προς τα εμπρός.

Χάρη σε αυτό γνωρίζουμε την περιοχή
όπου έχει επιδράσει το ηχητικό μπουμ.

Τι γίνεται όμως με την ένταση
του ηχητικού μπουμ;

Αυτό εμπλέκει την επίλυση των περίφημων
εξισώσεων Ναβίερ-Στόουκς

για την εύρεση της μεταβολής
της πίεσης του αέρα

εξαιτίας του υπερηχητικού αεροπλάνου,
που ταξιδεύει μέσα του.

Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα αποτύπωμα
της πίεσης, γνωστό ως «κύμα Ν».

Τι σημαίνει αυτό το σχήμα;

Το ηχητικό μπουμ συμβαίνει όταν υπάρχουν
ξαφνικές μεταβολές στην πίεση

και το κύμα N περιλαμβάνει δύο μπουμ:

ένα για την αρχική αύξηση της πίεσης
στο ρύγχος του αεροσκάφους

και ένα για όταν η περνά η ουρά

και η πίεση επιστρέφει ξαφνικά
στην κανονική της τιμή.

Αυτό προκαλεί το διπλό μπουμ,

αλλά στα ανθρώπινα αυτιά
συνήθως ακούγεται σαν ένα μπουμ.

Στην πράξη, μοντέλα σε υπολογιστές,
που χρησιμοποιούν αυτές τις αρχές

μπορούν συχνά να προβλέπουν
τη θέση και ένταση των ηχητικών μπουμ

για δεδομένες ατμοσφαιρικές
συνθήκες και τροχιές πτήσης

και γίνεται έρευνα για την άμβλυνση
των φαινομένων τους.

Στο μεταξύ, οι υπερηχητικές πτήσεις
πάνω από τη στεριά απαγορεύονται.

Είναι, λοιπόν, τα ηχητικά μπουμ
πρόσφατη δημιουργία;

Όχι ακριβώς.

Ενώ προσπαθούμε να βρούμε
τρόπους να τα κάνουμε να σωπάσουν

μερικά άλλα ζώα χρησιμοποιούν
τα ηχητικά μπουν προς όφελός τους.

Ο γιγαντιαίος διπλόδοκος ίσως ήταν
ικανός να κουνά την ουρά του

γρηγορότερα από τον ήχο, με ταχύτητα
μεγαλύτερη από 1200 χλμ/ώρα,

πιθανώς για να τρομάξει τα αρπακτικά.

Μερικά είδη γαρίδων επίσης δημιουργούν
ένα παρόμοιο ωστικό κύμα υποβρυχίως

ζαλίζοντας ή ακόμα και σκοτώνοντας
τα θηράματα τους από απόσταση

με μόνο έναν κρότο
της υπερμεγέθους δαγκάνας τους.

Έτσι, ενώ οι άνθρωποι έχουμε
κάνει μεγάλη πρόοδο

στο αμείλικτο μας κυνήγι της ταχύτητας,

η φύση μάς έχει προλάβει.