3.54. Грохот, издаваемый самолетами и пулями

До 1947 года самолеты летали со скоростями меньше скорости звука (дозвуковыми скоростями), но в 1947 году летчик-испытатель Чак Йегер на экспериментальном самолете Bell X-1 преодолел так называемый звуковой барьер, пролетев со скоростью, превысившей скорость звука (сверхзвуковой скоростью). Когда большинство самолетов стали летать со сверхзвуковой скоростью, частым, временами раздражающим и даже разрушительным явлением стал сопровождающий полет звук — звуковой удар или хлопок. Почему при полете самолета на сверхзвуковой скорости раздается звуковой удар, которого могут испугаться люди, кошки и от которого даже могут разбиться окна? Могут ли услышать друг друга пассажиры в сверхзвуковом самолете?

Чтобы взрыв бомбы повредил здание (скажем, его стены), давление, развиваемое при взрыве, должно превышать некоторое пороговое значение. А вот звуковой удар может разрушить здание и при давлениях в 100 раз меньше этого порогового значения. Как это возможно?

Некоторые пули летят со сверхзвуковой скоростью. Возникают ли при их полете звуковые удары?

Когда во время Второй мировой войны Германия обстреливала Англию ракетами V-1 («Фау-1»), наблюдатели сначала слышали звук приближающейся ракеты (характерное жужжанье, которое служило предупреждением), а уже потом происходил взрыв ракеты, поражающей цель. Позже, когда стали использовать ракеты V-2 («Фау-2»), наблюдатели слышали эти два звука уже в обратном порядке: сначала звук взрыва, а потом, чуть позже, звук летящей ракеты. Почему последовательность появления этих звуков изменилась?

13 августа 1989 года космический челнок «Колумбия», направляясь на авиабазу ВВС США «Эдвардс», пролетел сначала над Лос-Анджелесом, а потом над Пасаденой, городом в 17 км к северо-востоку от Лос-Анджелеса. Космический челнок летел со сверхзвуковой скоростью (примерно 4600 км/ч) и поэтому испускал мощную ударную волну, то есть звуковой удар, который был слышен в обоих городах. Любопытно, что сейсмостанция в Пасадене зарегистрировала мощную сейсмическую волну, пришедшую из Лос-Анджелеса, на 12,5 секунды раньше, чем пришла ударная волна от самого шаттла. Как могла ударная волна возбудить сейсмическую волну в Лос-Анджелесе?

ОТВЕТ • Когда самолет летит в атмосфере, он оттесняет воздух со своего пути, в результате возникают перепады давления. Эти изменения давления распространяются от самолета в стороны в виде звуковых волн. Работающий мотор тоже создает звук, причем если самолет летит со скоростью меньше звуковой, вы слышите этот звук и не замечаете волну давления, порождаемую расталкиванием воздуха.

Если самолет летит со скоростью выше скорости звука, ситуация обратная. Колебания давления воздуха по-прежнему расходятся от самолета в виде звуковых волн, но теперь скорость этих волн меньше, чем скорость самого самолета. Эти волны собираются вместе и образуют конус с вершиной в носу самолета. Этот конус движется вместе с самолетом до тех пор, пока самолет движется со сверхзвуковой скоростью. При звуковом ударе вы в первую очередь слышите эти собранные в конус звуковые волны (они называются ударной волной), а не звук работающего двигателя.

Когда самолет движется, скажем, по горизонтали, нижняя часть конуса создает «след» на земле, и если вы окажетесь внутри этого следа, давление воздуха на вашей барабанной перепонке сначала увеличится по сравнению с нормальным значением, потом упадет ниже нормы, а потом опять поднимется до нормального значения (график давления будет напоминать букву N, поэтому ударную волну, создаваемую самолетом, называют N-волной). Быстрые изменения давления воздуха вызывают колебания барабанной перепонки, и в результате вы слышите звук, точнее, звуковой удар.

Ударная волна от самолета в действительности состоит из множества отдельных ударных волн, испускаемых носом самолета, двигателями, крыльями, фюзеляжем и хвостом. Однако к тому времени, когда ударные волны доберутся до вашего уха, они сольются в единую ударную волну и вы услышите один звуковой удар. Тем не менее иногда можно различить и отдельные звуковые удары.

Звуковые волны, образующие конус ударной волны, могут и не достичь земли, если во время движения вниз их траектория искривится из-за изменений температуры воздуха вдоль нее. Тогда говорят, что звук подвергся рефракции. Если на пути звука воздух становится все теплее и теплее, траектория может искривиться вверх и на землю так и не попасть. Кроме того, если волны окажутся между слоями воздуха с более высокой температурой, они могут оказаться запертыми в канале и распространиться по нему на очень большие расстояния (возможно, сотни километров). Например, люди иногда слышат звуковой удар, когда никакого самолета поблизости не слышно и не видно (громкий хлопок, донесшийся с пустого неба, может напугать кого угодно).

Когда сверхзвуковой самолет, особенно военный, ускоряется в горизонтальном направлении или совершает крутой вираж, ударные волны распространяются в разных направлениях, и в одной точке на земле может пересечься несколько волн. Сложение двух и более ударных волн означает, что скачки давления будут еще больше и люди на земле услышат суперхлопок, который их напугает. Именно при таких условиях могут разрушаться здания, особенно если частота, с которой происходят скачки давления, соответствует собственной частоте колебаний стен. И тогда колебания, вызванные ударными волнами, могут оказаться настолько большими, что разрушат стену.

Безусловно, внутри сверхзвукового самолета можно разговаривать друг с другом, поскольку воздух внутри самолета движется со скоростью самолета. Звуковые волны, испускаемые собеседниками в самолете, распространяются в этом движущемся воздухе как обычно и пассажиры ничего особенного не замечают.

Часть «хлопка», который вы слышите при выстреле, это звуковой удар, создаваемый сверхзвуковой пулей в полете. Немецкие ракеты V-1 летели со скоростью меньше скорости звука, так что шум от их полета наблюдатель слышал прежде, чем видел ракету. Ракеты V-2 уже были сверхзвуковыми, и они достигали цели раньше, чем туда долетал шум, который они создавали в полете.

Когда ударная волна от шаттла «Колумбия» достигла Лос-Анджелеса, она вызвала колебания во многих высоких зданиях в центральной части города; подобное случается и при землетрясениях. Периоды этих колебаний (время, за которое происходит полное колебание) лежали в интервале 1–6 секунд. Колебания зданий вызвали сейсмические волны. Например, здание, колебавшееся, скажем, с периодом 2 секунды породило сейсмическую волну с периодом 2 секунды. Сейсмические волны распространяются по земле быстрее, чем ударные волны в воздухе, поэтому они добрались до Пасадены раньше ударной волны. Первые сейсмические волны, вызванные колебаниями всех зданий, пришли почти в фазе друг с другом, так что на сейсмографе был зарегистрирован значительный всплеск. Но поскольку волны имели разные периоды, позже они складывались случайным образом и многие из них гасили друг друга, так что всплески в сейсмографе стали ослабевать.