Hvað gerist þegar þotur rjúfa hljóðmúrinn?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Hvað gerist þegar þotur rjúfa hljóðmúrinn?
Hávaðinn sem fylgir flugi yfir hljóðhraða stafar af höggbylgju samþjappaðs lofts. Þegar þessi höggbylgja skellur á hljóðhimnum okkar heyrum við miklar drunur.

Hljóðhraðinn er útbreiðsluhraði hljóðbylgna í lofti, það er sá hraði sem hljóðbylgjur ferðast með um loftið. Hljóðhraði minnkar með lækkandi hita og lækkar því í aðalatriðum með hæð, en er um 1200 km/klst við sjávarmál og venjulegan hita og þrýsting. Þessi hraði er stundum kallaður hljóðmúrinn og má rekja þá orðanotkun til þess þegar menn álitu að hann myndaði efstu hraðamörk flugvéla, eins konar múr eða mörk sem þær kæmust ekki yfir. Flugvélin verður einmitt fyrir snörpum hvirfilstraumum og höggum þegar hún kemst á þennan hraða en eftir að hún er komin fram úr honum er flugið aftur eðlilegt gagnvart henni og þeim sem í henni eru.

Hér sést bandarísk orrustuþota nálgast hljóðhraða.
Frá árinu 1947, þegar "múrinn" var fyrst rofinn, hafa menn hins vegar smíðað fjölda flugvéla sem fljúga yfir þessum mörkum. Komið hefur í ljós að miklar drunur fylgja slíku flugi og hafa þær verið nefndar hljóðbylgjudrunur eða hljóðhögg (e. sonic boom).

Best er að útskýra hljóðbylgjudrunur með samlíkingu við öldur sem myndast þegar skip sigla á vatni, enda er um hliðstæð fyrirbæri að ræða.

Þegar steinum er kastað í lygna tjörn myndast hringlaga bylgjur (gárur) sem berast eftir vatnsborðinu út frá staðnum þar sem steinninn lenti. Þetta má sjá á mynd 1. Svipað gerist þegar bátur siglir hægt eftir lygnu vatni. Gárur myndast í kringum bátinn og meðan hraði hans er minni en hraði aldanna eftir yfirborðinu breiðast þær út fyrir framan og aftan bátinn. Þetta er sýnt á mynd 2.

Ef hraði bátsins er hins vegar meiri en hraði aldnanna þá ná þær ekki að breiðast út með þessum hætti. Þess í stað mynda fyrstu bylgjur frá bátnum á hverjum stað eina stóra kjölbylgju eins og sést á mynd 3. Eins og mynd 4 sýnir nánar, eru bylgjur frá nærliggjandi stöðum á ferli bátsins nokkurn veginn samtaka og því verður bylgjan miklu meiri en venjulegar bylgjur eins og þær sem við sjáum á mynd 2.

Þetta má heimfæra beint á flug flugvéla. Þegar flugvélar fljúga undir hljóðhraða breiðast út frá þeim hljóðbylgjur á sama hátt og öldurnar á mynd 2. Ef þotur fljúga yfir hljóðhraða breiðast öldurnar út fyrir aftan þær og bylgjustafnar þeirra sameinast um að mynda höggbylgju sem ferðast með flugvélinni, á sama hraða og hún. Eins og sést á mynd 4 myndar höggbylgjan keilu þar sem flugvélin er í topppunkti. Horn keilunnar verður minna eftir því sem þotan flýgur hraðar.

Höggbylgjan myndast óháð því hvort sjálfstæðir hljóðgjafar, svo sem háværir þotuhreyflar, eru í hlutnum sem ferðast gegnum loftið; til dæmis myndast hljóðbylgja einnig þegar byssukúla smýgur gegnum loft á meiri hraða en hljóðið. Þetta stafar af því að hlutir sem ferðast í lofti valda þrýstingstruflunum í loftinu sem breiðast út á við með hljóðhraða.

Þegar hin snarpa þrýstingstruflun, höggbylgjan, berst hljóðhimnum okkar heyrum við háværan hvell. Hávaðinn varir aðeins örskamma stund, enda ferðast höggbylgjan út á við á sama hraða og hljóðið. Hávaðinn getur verið allmikill, og fyrir stórar þotur eins og Concorde-þotuna nær hljóðhöggið sársaukamörkum (120 dB) jafnvel úr 20 km fjarlægð.

Heimildir:

• Ohanian, Hans C. 1989. Physics, 2. útgáfa. New York, W.W. Norton and Company.
• Upplýsingasíða bandaríska flughersins
• Fræðsluvefurinn "How Stuff Works"

Mynd af orrustuþotu:

• Wikimedia Commons. Sótt 12. 7. 2011.

...