Het probleem van de supersonische knal - Katerina Kaouri

Bekijk de volledig les hier: http://ed.ted.com/lessons/what-causes-sonic-booms-katerina-kaouri

Objecten die sneller vliegen dan de snelheid van het geluid (zoals heel snelle vliegtuigen) creëren een schokgolf die samengaat met een geluid dat op donder lijkt: de supersonische knal. Deze epische geluiden kunnen voor ongemak zorgen bij mensen en dieren en kunnen zelfs gebouwen in de buurt beschadigen. Katerina Kaouri legt uit hoe wetenschappers wiskunde gebruiken om voorspellingen te maken over de trajecten van supersonische knallen in de atmosfeer, waar ze de grond zullen bereiken en hoe luid ze zullen zijn.

De mens is al eeuwenlang
gefascineerd door snelheid.

De geschiedenis van menselijke vooruitgang
is er een van steeds grotere snelheden.

Een van de belangrijkste prestaties
in deze historische race

was het doorbreken van de geluidsbarrière.

Niet lang na de eerste
succesvolle vliegtuigvluchten

waren piloten erop gebrand hun vliegtuigen
sneller en sneller te laten gaan.

Maar hierdoor nam ook
de turbulentie toe

en de grote krachten belemmerden
dat vliegtuigen nog konden versnellen.

Sommigen probeerden dit probleem
te omzeilen met riskante duikvluchten,

die vaak een tragische afloop hadden.

Verbeteringen in het ontwerp in 1947,

zoals een beweegbare staart
en een beweegbaar horizontaal staartvlak,

zorgden ervoor dat piloot Chuck Yeager
van de Amerikaanse luchtmacht

met het Bell X-1 luchtvaartuig

een snelheid van 1127 km/u kon bereiken.

Hij werd de eerste persoon
die de geluidsbarrière doorbrak

en daarmee sneller ging
dan de snelheid van het geluid.

De Bell X-1 was het eerste
van vele supersonische luchtvaartuigen;

latere ontwerpen haalden snelheden
van meer dan Mach 3.

Luchtvaartuigen die sneller
dan het geluid gaan,

creëren een schokgolf
met een donderachtig geluid,

bekend als een supersonische knal,

dat tot ongemak kan leiden
bij mensen en dieren op de grond

of zelfs tot schade bij gebouwen.

Daarom hebben wetenschappers wereldwijd
supersonische knallen bestudeerd.

Ze proberen hun baan
in de atmosfeer te voorspellen,

waar ze de grond zullen bereiken
en hoe luid ze zullen zijn.

Om beter te snappen hoe
supersonische knallen bestudeerd worden,

moeten we beginnen
met wat basiskennis over geluid.

Stel je voor dat je een kleine steen
in een stilstaand meertje gooit.

Wat zie je?

De steen zorgt voor golven in het water

die zich met met dezelfde snelheid
in elke richting bewegen.

Deze zich verwijdende cirkels
worden golffronten genoemd.

Op dezelfde manier,
ook al kunnen we het niet zien,

produceert een stilstaande geluidsbron,
zoals een stereo installatie,

geluidsgolven die zich
buitenwaarts voortbewegen.

De snelheid van de golven
ligt aan factoren

zoals de hoogte en de temperatuur
van de lucht waardoor ze zich verplaatsen.

Op zeeniveau verplaatst het geluid zich
met ongeveer 1225 km/u.

Maar in plaats van cirkels
op een tweedimensionaal vlak

zijn de golffronten nu
concentrische bollen,

met geluid dat zich voortbeweegt
langs stralen loodrecht op deze golven.

Stel je nu een bewegende geluidsbron voor,
zoals de fluit van een stoomtrein.

Zolang de bron zich
in een bepaalde richting beweegt,

zullen de golven ervóór
dichter bij elkaar liggen.

Deze grotere golffrequentie is de oorzaak
van het befaamde dopplereffect,

waarbij naderende objecten
een hogere toon hebben.

Maar zolang de bron zich trager verplaatst
dan de geluidsgolven zelf,

zullen ze in elkaar blijven passen.

Maar gaat een object supersonisch snel,
sneller dan het geluid dat het maakt,

dan verandert het plaatje behoorlijk.

Als het geluidsgolven inhaalt
die het gemaakt heeft

terwijl er tegelijkertijd
nog nieuwe worden gemaakt,

worden de golven samengeperst
waardoor een kegel van Mach ontstaat.

De waarnemer hoort geen geluid
wanneer het dichterbij komt

omdat het object sneller gaat
dan het geluid dat het produceert.

Pas nadat het object is gepasseerd,
hoort men een supersonische knal.

Waar de kegel van Mach de grond raakt,
wordt een hyperbool gevormd

die een spoor nalaat
dat beter bekend is als de geluidstrog.

Hiermee kan het grondbereik
van een supersonische knal bepaald worden.

Hoe kunnen we weten hoe sterk
een supersonische knal zal zijn?

Hiervoor moeten we de befaamde
Navier-Stokes-vergelijkingen oplossen,

om het verschil in luchtdruk
te weten te komen

dat wordt veroorzaakt door het passeren
van het supersonische vliegtuig.

Dit leidt tot een drukbeeld
wat bekend staat als de N-golf.

Wat betekent deze vorm?

De supersonische knal treedt op
wanneer de druk plotseling verandert.

De N-golf veroorzaakt twee knallen:

één voor de initiële stijging van de druk
aan de neus van het vliegtuig,

en nog een wanneer de staart voorbijgaat
en de druk plotseling weer normaal is.

Dit zorgt voor een dubbele knal,

maar mensen horen het gewoonlijk
als een enkele knal.

In de praktijk kunnen computermodellen
met gebruik van deze principes

vaak de locatie en intensiteit
van supersonische knallen voorspellen,

gegeven de vliegroute
en de atmosferische gesteldheid.

Er is ook lopend onderzoek
naar het verzachten van de uitwerkingen.

Supersonische vluchten over land
blijven intussen verboden.

Zijn supersonische knallen
dus een recent fenomeen?

Niet echt.

Terwijl we manieren zoeken
om ze te dempen,

hebben enkele andere dieren
de knallen in hun voordeel gebruikt.

De gigantische Diplodocus
kon misschien zijn staart

sneller dan het geluid laten knallen,
met meer dan 1200 km/u,

mogelijk om roofdieren af te schrikken.

Sommige garnaalsoorten kunnen onder water
ook een soortgelijke schokgolf creëren

die een prooi vanaf een afstand
kan verlammen of zelfs doden

met een enkele knip
van hun buitenmaatse schaar.

Dus hoewel de mens grote vooruitgang
heeft geboekt in zijn jacht naar snelheid,

blijkt het dat Moeder Natuur ons voor was.