Vấn đề của bom âm thanh - Katerina Kaouri

Xem đầy đủ tại: http://ed.ted.com/lessons/what-causes-sonic-booms-katerina-kaouri

Những vật thể bay nhanh với vận tốc lớn hơn vận tốc âm thanh (như máy bay nhanh) gây nên sự chuyển động đột ngột của sóng kèm theo âm thanh giống tiếng sấm được gọi là: bom âm thanh. Những âm thanh vô cùng lớn này ảnh hưởng xấu đến sức khỏe của con người và động vật, thậm chí nó có thể phá hủy cả một tòa nhà gần đó. Katerina Kaouri làm rõ về việc các nhà khoa học đã sử dụng toán để tính toán quỹ đạo của bom âm thanh trong không khí, nó sẽ dừng ở đâu, và nó có thể to đến mức nào.

Thực hiện bởi: Katerina Kaouri, hình minh họa: Anton Bogaty.

Con người đã có hứng thú với
tốc độ từ rất lâu.

Lịch sử tiến hóa của con người gắn liền
với một tốc độ tăng liên tục,

và một trong những thành tựu
quan trọng nhất trong tiến trình lịch sử

đó là phá vỡ hàng rào âm thanh.

Không lâu sau khi chiếc phi cơ
đầu tiên thành công,

các phi công đã luôn khao khát làm cho
máy bay của họ ngày một nhanh hơn.

Nhưng khi họ làm vậy lại càng tăng thêm sự
hỗn loạn

và lực tác động lên máy bay, điều đó làm
ngăn chặn máy bay bay nhanh hơn.

Một số đã thử giải quyết vấn đề bằng cách
thực hiện những cú nhào lộn nguy hiểm

thường dẫn đến hậu quả nghiêm trọng.

Cuối cùng, vào năm 1947, bản thiết kế được
cải tiến

như bộ thăng bằng ngang di động,
đuôi di động,

phi công người Mỹ Chuck Yeager

đã lái chiếc máy bay Bell X-1 với
vận tốc 1127km/h,

trở thành người đầu tiên phá vỡ
hàng rào âm thanh

và di chuyển nhanh hơn cả
tốc độ âm thanh.

Chiếc Bell X-1 là một trong những chiếc
máy bay siêu thanh đầu tiên được thực hiện

và các thiết kế sau đã đạt được tới
tốc độ số Mach 3( tốc độ siêu thanh)

Ở tốc độ siêu âm máy bay sẽ tạo ra
sóng xung kích

với tiếng động lớn như sấm chớp được
biết đến là một quả bom âm thanh,

nó có thể gây nguy hiểm cho người
và động vật bên dưới.

hoặc thậm chí phá vỡ các tòa nhà.

Bởi vậy,

các nhà khoa học trên thể giới vẫn đang
tìm kiếm các quả bom âm thanh

và cố gắng tìm ra đường đi của
chúng trong khí quyển

nơi mà chúng sẽ truyền xuống mặt đất
và biên độ của chúng.

Để hiểu rõ thêm về cách các nhà khoa học
nghiên cứu bom âm thanh,

hãy bắt đầu với một vài điều cơ bản
về âm thanh.

Thử tưởng tượng khi ta ném một hòn đá
xuống một mặt hồ phẳng lặng.

Bạn có thấy điều gì?

Hòn đá ấy tạo nên các gợn sóng

với cùng tốc độ ở các hướng khác nhau.

Những vòng tròn có bán kính tăng dần này
được gọi là sóng phẳng.

Cũng tương tự vậy, tuy ta không thể thấy,

một nguồn phát âm, như máy radio

cũng tạo nên các sóng di chuyển như vậy.

Tốc độ của các sóng ấy phụ thuộc
các yếu tố

như độ cao, nhiệt độ trong không khí
nơi chúng di chuyển qua

Ở mực nước biển, tốc độ âm thanh
khoảng 1225 km/h.

Thay vì các vòng tròn trong mặt phẳng
hai chiều,

các sóng phẳng bây giờ là các
khối cầu đồng tâm,

và âm thanh chuyển động theo các tia
vuông góc với các sóng này.

Còn giờ hãy tưởng tượng tới nguồn âm
di động như là tiếng còi tàu hỏa.

Khi nguồn âm di chuyển về một phía
cố định

những sóng liên tiếp ở trước nó sẽ
bị ép lại sát nhau hơn.

Những tần số âm lớn này là hệ quả
của một hiệu ứng nổi tiếng: Doppler

khi mà những vật phát ra âm thanh
với cao độ cao hơn.

Nhưng miễn là nguồn âm chuyển động
chậm hơn sóng âm của chúng,

chúng vẫn lồng vào nhau như bình thường.

Khi một vật trở thành siêu thanh,
di chuyển nhanh hơn âm thanh chúng phát ra

thì sự việc thay đổi đáng kể.

Vì nó vượt qua sóng âm mà nó phát ra,

trong khi vẫn phát ra sóng âm
ở vị trí hiện tại,

các sóng âm dồn lại với nhau, tạo
nên hình nón Mach.

Khi nó tiến gần tới, người quan sát sẽ
không nghe được gì cả

vì nó đi nhanh hơn âm thanh mà nó
phát ra.

Chỉ sau khi vật ấy đi qua, người quan sát
sẽ nghe được âm thanh cực lớn.

Khi hình nón Mach tới mặt đất,
nó tạo nên hình hy-bec-bôn,

để lại một vệt gọi là thảm bom khi
nó di chuyển về trước.

Điều này cho phép ta xác định được
vùng chịu ảnh hưởng bởi bom âm thanh.

Vậy làm sao để biết được sức mạnh của
bom âm thanh?

Ta phải giải được phương trình
Navier - Stokes nổi tiếng

để tìm được sự thay đổi áp suât
trong không khí

khi máy bay siêu thanh bay ngang qua.

Điều này dẫn đến dấu hiệu áp suât
sóng N.

kí hiệu này có ý nghĩa gì?

Bom âm thanh xảy ra khi có sự
thay đổi bất ngờ về áp suất,

và sóng N liên quan tới cả 2 âm thanh lớn:

một khi áp suất bắt đầu tăng ở mũi máy bay

và cái còn lại là khi đuôi máy bay đi qua,

và áp suất bất ngờ trở lại như cũ.

Điều này gây ra âm thanh kép lớn,

nhưng đối với người thường chỉ là 1 lần.

Trong thực tế, máy tính mẫu dùng các
nguyên lí này

để dự đoán vị trí và độ mạnh của
bom âm thanh

từ các điều kiện không khí và
đường bay đã cho,

từ đó nghiên cứu cách giảm nhẹ
hậu quả của chúng.

Trong lúc ấy, những chuyến bay siêu thanh
xuyên lục địa vẫn bị cấm.

Vậy, bom âm thanh có phải sự
sáng tạo mới đây không?

Không hẳn thế.

Khi chúng ta đang tìm cách làm chúng
yên lặng

một vài loài động vật đã sử dụng
bom âm thanh.

Loài khủng long Diplodocus đã có khả năng
vẫy đuôi

với tốc độ nhanh hơn âm thanh,
hơn 1200km/h, để đe dọa kẻ thù.

Một số loài tôm cũng có thể tạo ra sóng
tương tự ở dưới nước

bằng tiếng tách tách từ chiếc càng
to lớn của nó

để làm choáng hoặc thậm chí giết
con mồi ở khoảng cách xa.

Trong khi con người vẫn đang có được
sự tiến bộ

trong những cố gắng không ngừng
về tốc độ,

thì thiên nhiên đã có được nó từ lâu rồi.