Sonik patlama sorunu - Katerina Kaouri

Dersin tamamına erişin: http://ed.ted.com/lessons/what-causes-sonic-booms-katerina-kaouri

Ses hızından daha hızlı uçan objeler (örneğin, çok hızlı uçan uçaklar) gök gürültüsü benzeri bir sesin eşlik ettiği bir şok dalgası yaratırlar, buna sonik patlama denir. Bu yüksek sesler insanlarda ve hayvanlarda sıkıntı yaratabilir ve hatta yakındaki binalara zarar verebilir. Katerina Kaouri, bilim insanlarının sonik patlamaların atmosferdeki rotalarını, nereye ineceklerini ve ne kadar yüksek sesli olduklarını tahmin etmek için matematiği nasıl kullandıklarını ayrıntılarıyla anlatıyor.

Ders: Katerina Kaouri, animasyon: Anton Bogaty.

İnsanlar çağlar boyunca
hızdan büyülenmişlerdir.

İnsanlık tarihi çok hızlı bir şekilde
gelişen bir süreçtir

ve bu tarihi yarıştaki en
önemli başarılardan biri

ses bariyerini geçmekti.

İlk başarılı uçuşlardan
kısa bir süre sonra,

pilotlar uçaklarını daha da hızlı
gitmeye zorlamak istediler.

Ama onlar zorladıkça artan türbülans
ve uçak üstündeki büyük kuvvetler,

daha fazla hızlanmalarına engel oldu.

Bazıları bu sorunu engellemek için
riskli dalışlar yaptı

ve bazen trajik sonuçları oldu.

Sonunda 1947 yılında,
hareketli yatay stabilizatör

ve tam hareketli kuyruk gibi tasarım
geliştirmelerinin de yardımıyla,

Amerikalı askeri pilot Chuck Yeager,

Bell X-1 uçağını saatte
1127 kilometre hızla uçurarak

ses bariyerini kıran ve ses hızından daha
hızlı seyahat eden ilk kişi oldu.

Bell X-1 uçağı, ilk süpersonik
hava araçlarından biriydi.

Onu, hızı Mach 3'ü geçebilen
uçaklar takip etti.

Süpersonik hızlarda giden uçaklar,
bir şok dalgası ve bununla birlikte

gök gürültüsü sesine benzer bir
sonik patlama yaratırlar.

Bu patlama, karadaki insanların ve
hayvanların korkmasına sebep olabilir

ve hatta binalara bile zarar verebilir.

Bu yüzden,

dünya genelindeki bilim insanları
sonik patlamaları inceliyor

ve atmosferdeki rotalarını,
nereye ineceklerini

ve ne kadar yüksek bir ses çıkaraklarını
tahmin etmeye çalışıyorlar.

Bilim insanlarının sonik patlamalara dair
nasıl çalıştığını daha iyi anlamak için

ilk olarak sesin temellerinden başlayalım.

Durgun bir gölete ufak bir taş
attığınızı hayal edin.

Ne görüyorsunuz?

Taş, her yöne aynı hızda ilerleyen
dalgaların oluşmasına sebep oluyor.

Gittikçe büyüyen bu dairelere
dalga cephesi denir.

Benzer olarak, biz göremesek bile

ev stereo sistemi gibi
sabit ses sistemleri de

dışarı yayılan ses dalgaları yaratır.

Bu dalgaların hızı,

araçların ilerlediği yükseklik veya hava
sıcaklığı gibi bazı faktörlere bağlıdır.

Ses deniz seviyesinde saatte yaklaşık
1225 kilometre hızla hareket eder.

Fakat dalga cepheleri, iki boyutlu
düzlemdeki daireler yerine

ortak merkezli küreler halinde yayılırlar.

Ses de bu dalgalara dik
olarak hareket eder.

Hareket halindeki
bir ses kaynağını düşünelim.

Örneğin bir tren düdüğü.

Ses kaynağı belirli bir
yönde hareket ettikçe

önündeki ardışık dalgalar
birbirlerine yaklaşacaktır.

Bu yüksek yüksek dalga frekansı
meşhur Doppler etkisine sebep olur

ve yaklaşan objelerin
sesi daha tiz duyulur.

Ama ses kaynağı ses dalgalarından
daha yavaş hareket ettiği sürece,

dalgalar iç içe oluşurlar.

Ama eğer bir nesne süpersonik olursa
yani yarattığı sesten daha hızlıysa

o zaman işler tamamen değişir.

Yaydığı dalgaları geçtikçe

ve bulunduğu noktadan yeni dalgalar
oluşturmaya devam ettikçe

dalgalar bir araya gelir ve
bir mach konisi oluştururlar.

Gözlemciye varana dek hiçbir ses duyulmaz

çünkü nesne yarattığı sesten
daha hızlı ilerlemektedir.

Gözlemciyi geçtikten hemen sonra
ise sonik patlama duyulur.

Mach konisi zemine ulaştığı
noktada bir hiperbol oluşturur

ve ileri doğru hareket ettikçe
patlama halısı denen bir iz bırakır.

Bu da, konik patlama tarafından
etkilenen alanın tespit edilmesini sağlar.

Peki konik patlamanın ne kadar
güçlü olabileceğini nasıl anlarız?

Bu işlem süpersonik hava aracının
etrafındaki havanın basıncını bulmak için

ünlü Navier-Stokes
denklemini çözmeyi gerektirir.

Bu N-dalgası denilen
basınç şekli ile sonuçlanır.

Peki bu şeklin anlamı nedir?

Konik patlama basınçtaki ani
değişim sonucu oluşur

ve N dalgası iki patlama içerir:

biri uçağın burnundaki ani basınç artışı,

diğeri ise kuyruğun geçişiyle
basıncın normale dönüşü.

Bu durum iki patlamaya neden olur

ama insan kulağı bunu genellikle
tek patlama olarak duyar.

Bilgisayarlar bu ilkeleri
kullanarak modelleme yapabilir,

belirli yörünge ve atmosfer
koşullarındaki konik patlamaların

yerini ve şiddetini hesaplayabilir.

Hâlen etkilerini azaltmak
için çalışmalar yapılıyor.

Günümüzde, yere yakın
süpersonik uçuş yapmak yasak.

Peki sonik patlamalar yeni bir buluş mu?

Pek sayılmaz.

Biz, onları susturmak için bir
yol bulmaya çalışırken

bazı hayvanlar da sonik patlamaları
bir avantaj olarak kullanıyor.

Dev diplodocuslar kuyruklarını
sesten daha hızlı bir şekilde,

saatte 1200 kilometre hızla şaklatarak
yırtıcı hayvanları uzaklaştırabilirler.

Bazı karides türleri de su altında
benzer bir şok dalgası yaratarak

avlarını sersemletebilirler
ve hatta belirli bir mesafeden

bir kıskaç şaklatmasıyla öldürebilirler.

Biz insanlar devamlı hız peşinde
koştuğumuz bu arayışta

çok iyi ilerleme göstersek de

meğerse doğa bizden önce zaten oradaymış.