The sonic boom problem - Katerina Kaouri

المترجم: Ahmad Jarbou المدقّق: Muhammad Samir

Humans have been fascinated with speed for ages.

فُتنَ البشر بالسرعة منذ أزمنةٍ بعيدة.

The history of human progress is one of ever-increasing velocity,

إنّ تاريخ التّطور البشريّ هو أحد السرعات دائمة الزّيادة،

and one of the most important achievements in this historical race

وأحد أهمّ الإنجازات في هذا السّباق التّاريخيّ،

was the breaking of the sound barrier.

كان اختراق حاجز الصّوت.

Not long after the first successful airplane flights,

لم يمض وقتٌ طويلٌ بعد نجاح أولى رحلات الطّيران،

pilots were eager to push their planes to go faster and faster.

حتّى تحمّس الطّيارون لجعل طائراتهم تطير أسرع فأسرع.

But as they did so, increased turbulence

لكن عند قيامهم بذلك، كانت الإضطرابات المتزايدة،

and large forces on the plane prevented them from accelerating further.

والقوى الهائلة على الطّائرة قد منعتهم من زيادة سرعتهم أكثر.

Some tried to circumvent the problem through risky dives,

حاول البعض التّحايل على المشكلة من خلال انقضاضاتٍ محفوفةٍ بالمخاطر،

often with tragic results.

غالبًا ما كانت تنتهي بنتائج مأساوية.

Finally, in 1947, design improvements,

أخيراً، في عام 1947، وبعد إدخال تحسيناتٍ على التّصاميم،

such as a movable horizontal stabilizer, the all-moving tail,

كجهاز التّوازن الأفقي المتحرك، الذّيل كليّ الحركة،

allowed an American military pilot named Chuck Yeager

سمحت للطيّار الحربي الأمريكي تشاك ييغر،

to fly the Bell X-1 aircraft at 1127 km/h,

بأن يطير بطائرة "بيل إكس 1" بسرعةٍ بلغت 1127 كم/ساعة،

becoming the first person to break the sound barrier

ليصبح بذلك أول شخص يخترق حاجز الصّوت،

and travel faster than the speed of sound.

ويسافر بسرعةٍ أكبر من سرعة الصّوت.

The Bell X-1 was the first of many supersonic aircraft to follow,

تعتبر طائرة "بيل إكس 1" واحدة من عدّة طائرات لاحقة خارقةٍ للصّوت،

with later designs reaching speeds over Mach 3.

بتصميماتٍ لطائراتٍ تصل لسرعاتٍ أكثر من 3 ماخ.

Aircraft traveling at supersonic speed create a shock wave

الطائرات التّي تطير بسرعةٍ أكبر من سرعة الصّوت تخلق موجاتٍ تصادميّةٍ

with a thunder-like noise known as a sonic boom,

مترافقةٍ مع ضوضاء كالرّعد يُعرَف باسم دويّ اختراق حاجز الصّوت،

which can cause distress to people and animals below

ممّا يسبّب ضيقًا للأشخاص والحيوانات في الأسفل،

or even damage buildings.

أو حتّى إلحاق الضّرر بالأبنية.

For this reason,

لهذا السّبب،

scientists around the world have been looking at sonic booms,

قام العلماء حول العالم بتتبّع دويّ اختراق حاجز الصّوت،

trying to predict their path in the atmosphere,

في محاولةٍ للتّنبّؤ بمساره في الغلاف الجوي،

where they will land, and how loud they will be.

وفي أي مكان سيحطّ، وكم سيكون صوته صاخبًا.

To better understand how scientists study sonic booms,

لنفهم كيفية دراسة العلماء لدويَّ اختراق حاجز الصّوت بشكلٍ أفضل،

let's start with some basics of sound.

دعونا نبدأ ببعض أساسيات الصّوت.

Imagine throwing a small stone in a still pond.

تخيّل إلقاء حجر صغير في بركةٍ ساكنة.

What do you see?

ما الذّي تراه؟

The stone causes waves to travel in the water

يسبّب الحجر أمواجًا تنتقل في الماء،

at the same speed in every direction.

بنفس السّرعة في كل الاتجاهات.

These circles that keep growing in radius are called wave fronts.

تدعى هذه الدّوائر التّي تستمرّ في النّمو بشكلٍ نصف قطريٍّ بالجبهات الموجيّة.

Similarly, even though we cannot see it,

على نحوٍ مماثلٍ، وبالرّغم عن عدم قدرتنا على رؤيتها،

a stationary sound source, like a home stereo,

فإنّ مصدر صوتٍ ثابتٍ، كجهاز ستريو منزليّ،

creates sound waves traveling outward.

يخلق أمواجًا صوتيّةً تتّجه للخارج.

The speed of the waves depends on factors

تعتمد سرعة الأمواج على عوامل

like the altitude and temperature of the air they move through.

كارتفاع و حرارة الهواء التّي تنتقل خلاله.

At sea level, sound travels at about 1225 km/h.

عند مستوى سطح البحر، تنتقل الأصوات بسرعةٍ تصل إلى 1225 كم/ساعة.

But instead of circles on a two-dimensional surface,

لكن بدلًا من دوائر على سطح ثنائي الأبعاد،

the wave fronts are now concentric spheres,

فإنّ الجبهات الموجيّة هي دوائر متّحدة المركزالآن،

with the sound traveling along rays perpendicular to these waves.

مع صوتٍ ينتقل بمحاذاة أشعّةٍ متعامدةٍ مع هذه الموجات.

Now imagine a moving sound source, such as a train whistle.

تخيّل الآن مصدر صوتٍ متحرك، كصافرة قطار.

As the source keeps moving in a certain direction,

فطالما أنّ المصدر يستمرّ بالتّحرك في اتّجاه ٍمعيّنٍ،

the successive waves in front of it will become bunched closer together.

فإنّ الموجات المتتابعة أمامه ستجتمع مقتربةً من بعضها.

This greater wave frequency is the cause of the famous Doppler effect,

تردّد الموجة العظمي هذا هو السّبب فيما يسمّى بتأثير دوبلر الشّهير،

where approaching objects sound higher pitched.

حيث تصدر الأجسام المقتربة صوتًا ذا نبرةٍ عالية.

But as long as the source is moving slower than the sound waves themselves,

ولكن طالما أنّ المصدر يتحرك بسرعةٍ أبطئ من موجات الصّوت نفسها،

they will remain nested within each other.

فإنهّا ستبقى محتواة فيما بينها.

It's when an object goes supersonic, moving faster than the sound it makes,

إنّه عندما ينتقل الجسم بسرعة فوق صوتيّة، أي يتحرك أسرع من الصّوت الذّي يصدره،

that the picture changes dramatically.

فهو مايغيّر الصّورة بشكلٍ كبير.

As it overtakes sound waves it has emitted,

بإجتيازها الأمواج الصوتيّة التّي تصدرها،

while generating new ones from its current position,

بينما تولِّد أخرى جديدةً من موقعها الحالي،

the waves are forced together, forming a Mach cone.

فإنّ الأمواج تضغط سويّةً، لتشكل مخروط ماخ.

No sound is heard as it approaches an observer

لا يُسمع أيّ صوتٍ عند إقترابها من مراقبٍ ما،

because the object is traveling faster than the sound it produces.

لأنّ الجسم ينتقل بسرعةٍ أكبر من الصّوت الذّي يصدره.

Only after the object has passed will the observer hear the sonic boom.

عندما يجتاز الجسم المراقب فحينها فقط سيسمع صوت الدوّي.

Where the Mach cone meets the ground, it forms a hyperbola,

عندما يلتقي مخروط ماخ بالأرض فإنّه يشكّل قطعًا زائدًا،

leaving a trail known as the boom carpet as it travels forward.

مخلفًا أثراً يعرف بسجادة الدويّ عندما تتحرّك للأمام.

This makes it possible to determine the area affected by a sonic boom.

هذا يجعل تحديد المنطقة المتأثّرة بدويّ اختراق حاجز الصّوت ممكنًا.

What about figuring out how strong a sonic boom will be?

ماذا عن اكتشاف مدى قوّة دويّ اختراق حاجز الصّوت؟

This involves solving the famous Navier-Stokes equations

هذا يقتضي حلّ معادلات نافير-ستوكس الشّهيرة،

to find the variation of pressure in the air

لإيجاد التّباينات في ضغط الهواء

due to the supersonic aircraft flying through it.

الذّي تسبّبه الطّائرة فوق الصّوتيّة عند طيرانها خلاله.

This results in the pressure signature known as the N-wave.

ينتج عن ذلك شارة الضّغط المعروفة باسم الموجة N.

What does this shape mean?

ما الذّي يعنيه هذا الشّكل؟

Well, the sonic boom occurs when there is a sudden change in pressure,

حسنًا، يحدث دويّ اختراق حاجز الصّوت عندما يحصل تغيّرٌ مفاجئُ في الضّغط،

and the N-wave involves two booms:

وتشتمل موجة N على دوييّن:

one for the initial pressure rise at the aircraft's nose,

الأوّل لضغطٍ ابتدائيٍّ ينشأ عند مقدمة الطائرة،

and another for when the tail passes,

والآخر عندما يمّر الذّيل،

and the pressure suddenly returns to normal.

ثمّ يعود الضّغط فجأةً لطبيعته.

This causes a double boom,

يؤدي ذلك لدويٍّ مزدوج،

but it is usually heard as a single boom by human ears.

ولكنّه يُسمع عادةً كصوت دويٍّ واحدٍ بالأذن البشريّة.

In practice, computer models using these principles

في الناحية العمليّة، إنّ نماذج الحاسوب التّي تستخدم هذه المبادئ،

can often predict the location and intensity of sonic booms

تستطيع غالبًا التننبؤ بموقع وشدة دويّ اختراق حاجز الصّوت،

for given atmospheric conditions and flight trajectories,

لظروفٍ جويّةٍ ومسارات رحلات طيران محدّدة،

and there is ongoing research to mitigate their effects.

كما أنّ هنالك بحوثًا مستمرّةً للتّخفيف من آثارها.

In the meantime, supersonic flight over land remains prohibited.

في الوقت الرّاهن، مايزال الطّيران بأعلى من سرعة الصّوت فوق اليابسة ممنوعًا.

So, are sonic booms a recent creation?

إذًا، هل يعدّ اختراق حاجز الصّوت ابتكارًا حديثًا؟

Not exactly.

ليس تمامًا.

While we try to find ways to silence them,

بينما نحاول العثور على طرق لجعلها صامتةً،

a few other animals have been using sonic booms to their advantage.

كانت حيواناتٌ أخرى تستخدم دويّ اختراق حاجز الصّوت لمصلحتها.

The gigantic Diplodocus may have been capable of cracking its tail

فقد كانت ديناصورات الدّيبلودوكوس الضّخمة قادرةً على فرقعة ذيلها،

faster than sound, at over 1200 km/h, possibly to deter predators.

بسرعةٍ أسرع من الصّوت، تبلغ 1200 كم/ساعة، ربما لردع الحيوانات المفترسة.

Some types of shrimp can also create a similar shock wave underwater,

كما يمكن لبعض أنواع الجمبري إصدار موجةٍ صادمةٍ مشابهةٍ تحت الماء،

stunning or even killing pray at a distance

لصعق أو حتي لقتل الفريسة من مسافةٍ بعيدةٍ،

with just a snap of their oversized claw.

بمجرد قرقعةٍ من كلّاباتها كبيرة الحجم.

So while we humans have made great progress

إذًا بينما نحن البشر كنا قد حققنا تطوّراً كبيرًا،

in our relentless pursuit of speed,

في سعيينا المستمر للحصول على السّرعة،

it turns out that nature was there first.

تبيّن أنّ الطّبيعة قد سبقتنا إلى ذلك أولاً.