הפיזיקה של סתיו חינם קולי ואת המירוץ לבנות קונקורד שקט

אם אתה רוצה לבנות רקטה עם עיצוב חדש נועז, אתה צריך לעבור דרך לבדוק את שלמותה המבנית ללא התקנת מנוע. אין לך מנהרת רוח, אבל אתה לא מוכן לוותר. אתה חושב לעצמך, "מה זה טיסה ללא דחף? "ואז אתה עונה על השאלה שלך: "נפילה." במילים פשוטות, הדרך הקלה ביותר לטוס ללא שיגור היא לצנוח. קח אב טיפוס גבוה מאוד, טיפה אותו, ואתה תקבל תחושה של הביצועים שלה במהירות.

המתרגל החשוב ביותר בעולם לאמנות הפלת הדיוק הוא סוכנות החלל היפנית, או JAXA, שהיא בעצם הגרסה היפנית של נאס"א. הסוכנות מנסה לבנות מטוס קולי מעשי, וזה לא דבר קל. מאמצים דומים בעבר יצרו מוצרים בינוניים, המפורסמים ביותר בקונקורד.

קונקורד היה מנוגע בבעיות שמנעו מטוסים אחרים לאמץ את אותו סוג של עיצוב עבור מלאכה משלהם. אחד הנושאים הגדולים ביותר היה רעש עודף. המונח "בום קולי" אינו מטעה - שבירת מחסום הקול היא תופעה קולנית בטירוף. היצרנים היו צריכים לעצב את המטוס כדי למנוע את התנפוצו של ראשי הנוסעים, ומטוסים לא יכלו להטיס את המטוס מעל פני האדמה, משום ששום אדם על הקרקע לא רוצה להיות חשוף לקולות הרסניים כל כך. המטרה של JAXA היא ליצור מטוס נוסעים שקט יותר. ובדיקתו באמצעות בדיקות טיפה עם מודל ניסיוני בשוודיה.

איך לעזאזל זה עובד? ביסודו של דבר, בלון מרים את המטוס מודל ללא טייס - JAXA של שקט SuperSonic קונספט דגם על 18.6 קילומטרים באוויר, ופשוט טיפות זה. חיישנים המצורפים למטוס מודדים את גלי הזעזעים כשהמטוס מתקרב למהירות של עד 1.399 מאך בסתיו חופשי.

הפיסיקה של הנפילה החופשית הקולית אינה שונה בהרבה מהאופן שבו חפץ נעים במהירות רבה יותר מהצליל במישור האופקי. האוויר הופך דחוס חזק מול המטוס, אשר מוצף החוצה גל של לחץ גבוה לכל הכיוונים. גל ההלם הזה מתחיל להתפשט דרך האוויר, אך הוא נחלש ככל שהוא מתקדם הלאה, הופך לגל קול בתהליך. זה פיצוץ חזק שאנחנו שומעים וקוראים בום קולי.

כדי להבין מה מיוחד בסתיו חופשי, עלינו לבחון מקרוב את מה שמספרים מאך מתייחסים אליו: היחס בין מהירות האובייקט לבין מהירות הקול במקום מסוים. ומהירות הצליל כפופה לשינויים בטמפרטורה ובלחץ - בגבהים גבוהים יותר, מהירות הקול יורדת, כך שאובייקט אינו צריך לנסוע באותה מהירות להגיע למך 1 תריסר קילומטרים באוויר כפי שהוא עושה בגובה פני הים. (מהירות הקול בגובה פני הים היא כ -760 קמ"ש).

יתר על כן, מאך 1 היא סביבה מאוד לא יציבה בשל זעזוע שנוצר על ידי שבירת מחסום קול. אפילו לתנועות קטנות יכולות להיות השפעות פיזיות רבות עוצמה על האובייקט. המקום הגרוע ביותר להיות הוא בעצם בין מאך 0.9 ו 1.2.

לכן, כאשר אובייקט נע במהירויות קוליות בנפילה חופשית, הוא נמצא במצב יוצא דופן של האצה מהירה יותר בעוד מספר מאך שלו עולה בקצב איטי יותר. יותר זמן הוא בילה באזור מאך יציב מאשר אם זה היה נע על משטח אופקי. רוב המטוסים מתוכננים לעבור מאך 1 ולהיכנס לאזור בטוח מהר ככל האפשר. אתה לא יכול לבדוק משהו כזה בניסוי בסתיו חינם.

המהירות גם עולה בגלל גרור. זה מה שקרה כנראה את המקרה המפורסם ביותר של אובייקט נע מהר יותר מאשר קול על ידי כוח הכבידה: קפיצתו של פליקס באומגרטנר בשנת 2012 מ על 23 קילומטרים באוויר, כדי להפוך את צולל השמים הראשון לשבור את מחסום הקול ללא שימוש של מטוס. כאשר באומגרטנר נפל לכדור הארץ, הוא הפסיק בסופו של דבר להאיץ בגלל ההתנגשות עם מולקולות האוויר, ויצר 'כוח דראג' שנבנה כהתנגדות אווירית עד שהפך לשווה ומנוגד לכוח הכבידה. בשלב זה הגיע באומגרטנר במהירות מרבית.

למעשה, בעוד שרוב האובייקטים שמגיעים למהירות המסוף פשוט נשארים במהירות קבועה, באומגרטנר למעשה התחיל להאט, שכן האטמוספירה הסובבת מתחילה להתעבות ועבה יותר כאובייקט בנפילה חופשית. אז מהירות המסוף מתחיל לרדת - כלומר באומגרטנר התחיל להאט גם כן. אותו דבר היה מן הסתם יקרה לאחד מטוסי הדגם SuperSonic השלם דגם JAXA הוא בדיקה.

המדע, כמו רוב הדברים האחרים בחיים, הוא קריר יותר כאשר שלו מהר יותר.