The sonic boom problem - Katerina Kaouri

Übersetzung: Johannes Duschner Lektorat: Angelika Lueckert Leon

Humans have been fascinated with speed for ages.

Geschwindigkeit fasziniert die Menschen seit Ewigkeiten.

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

Der menschliche Fortschritt beruht auf ständig steigender Geschwindigkeit

and one of the most important achievements in this historical race

und einer der wichtigsten Leistungen in diesem historischen Wettlauf

was the breaking of the sound barrier.

war das Durchbrechen der Schallmauer.

Not long after the first successful airplane flights,

Kurz nach den ersten erfolgreichen Flügen

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

waren die Piloten begierig darauf, ihre Flugzeuge immer schneller zu fliegen.

But as they did so, increased turbulence

Dabei verhinderten zunehmende Turbulenzen

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

und auf das Flugzeug wirkende Kräfte die weitere Beschleunigung.

Some tried to circumvent the problem through risky dives,

Manche versuchten das Problem durch riskante Sturzflüge zu umgehen,

often with tragic results.

die häufig tragisch endeten.

Schließlich ermöglichte 1947 ein verbessertes Design,

Finally, in 1947, design improvements,

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

wie etwa das einstellbare Höhenleitwerk, das Pendelhöhenleitwerk,

allowed an American military pilot named Chuck Yeager

einem amerikanischen Militärpiloten namens Chuck Yeager

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

das Flugzeug Bell X-1 mit 1127 km/h zu fliegen

becoming the first person to break the sound barrier

und als erster Mensch die Schallmauer zu durchbrechen

and travel faster than the speed of sound.

und sich schneller als der Schall zu bewegen.

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

Die Bell X-1 war das erste von vielen nachfolgenden Überschallflugzeugen,

with later designs reaching speeds over Mach 3.

die mit späterer Bauweise, Geschwindigkeiten über Mach 3 erreichten.

Aircraft traveling at supersonic speed create a shock wave

Flugzeuge mit Überschallgeschwindigkeit erzeugen eine Druckwelle

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

mit einem donnergleichen Lärm, dem Überschallknall,

which can cause distress to people and animals below

der bei darunter befindlichen Menschen und Tieren Schmerzen verursacht,

or even damage buildings.

oder sogar Gebäude beschädigt.

Darum untersuchten Wissenschaftler weltweit den Überschallknall,

For this reason,

scientists around the world have been looking at sonic booms,

trying to predict their path in the atmosphere,

bemühten sich ihren Weg in der Atmosphäre vorherzusagen,

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

wo sie auftreffen und wie laut sie sein werden.

Um besser zu verstehen,

To better understand how scientists study sonic booms,

wie Wissenschaftler den Überschallknall untersuchen,

let's start with some basics of sound.

beginnen wir mit Grundlagen des Schalls.

Imagine throwing a small stone in a still pond.

Angenommen du wirfst einen kleinen Stein in einen ruhigen Teich.

What do you see?

Was siehst Du?

The stone causes waves to travel in the water

Der Stein verursacht Wellen,

at the same speed in every direction.

die sich im Wasser in jede Richtung mit derselben Geschwindigkeit ausbreiten.

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

Die Kreise, deren Radius größer wird, nennt man Wellenfronten.

Similarly, even though we cannot see it,

In ähnlicher Weise, obwohl wir sie nicht sehen können,

a stationary sound source, like a home stereo,

erzeugt eine feststehende Schallquelle, wie eine Stereoanlage, Schallwellen,

creates sound waves traveling outward.

die sich nach außen fortpflanzen.

The speed of the waves depends on factors

Die Geschwindigkeit der Wellen hängt von Faktoren ab,

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

wie der Höhe und der Lufttemperatur, durch die sie sich bewegen.

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

Auf Meereshöhe bewegt sich Schall mit ungefähr 1225 km/h.

But instead of circles on a two-dimensional surface,

Aber statt Kreisen auf einer zweidimensionalen Oberfläche

the wave fronts are now concentric spheres,

sind die Wellenfronten nun konzentrische Kugeln,

with the sound traveling along rays perpendicular to these waves.

wobei sich der Schall an Strahlen längs bewegt,

die lotrecht zu diesen Wellen verlaufen.

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

Denke nun eine Schallquelle in Bewegung, wie etwa eine Zugpfeife.

As the source keeps moving in a certain direction,

Bewegt sich die Quelle in eine bestimmte Richtung weiter,

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

werden die fortlaufenden Wellen davor dicht aneinander gepackt.

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

Die größere Wellenfrequenz ist die Ursache für den berühmten Doppler-Effekt,

where approaching objects sound higher pitched.

wobei näher kommende Objekte in einer höheren Tonlage klingen.

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

Aber solange sich die Quelle langsamer als die Schallwellen bewegt,

they will remain nested within each other.

bleiben sie ineinander verschachtelt.

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

Durchbricht ein Objekt die Schallmauer, indem es schneller als der Schall ist,

that the picture changes dramatically.

ändert sich das Bild dramatisch.

As it overtakes sound waves it has emitted,

Da es Schallwellen überholt, die es ausgesendet hat,

while generating new ones from its current position,

während es neue Wellen am aktuellen Aufenthaltsort erzeugt,

the waves are forced together, forming a Mach cone.

werden diese zusammen gezwungen, einen Mach'schen Kegel zu bilden.

No sound is heard as it approaches an observer

Kein Ton ist zu hören, wenn es sich einem Beobachter nähert,

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

weil sich das schallerzeugende Objekt schneller als der Schall bewegt,

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

Erst nachdem sich das Objekt vorbei bewegt hat,

hört der Beobachter den Überschallknall.

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

Dort wo der Mach'sche Kegel auf den Boden trifft,

bildet sich eine Hyperbel,

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

indem es bei der Vorwärtsbewegung eine Spur hinterlässt, die Schallschleppe.

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

Dadurch lässt sich das Gebiet bestimmen, das der Überschallknall getroffen hat.

Wie findet man heraus, wie stark ein Überschallknall sein wird?

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

This involves solving the famous Navier-Stokes equations

Das erfordert die berühmten Navier-Stokes-Gleichungen zu lösen,

to find the variation of pressure in the air

um die Schwankungen des Luftdrucks zu bestimmen,

due to the supersonic aircraft flying through it.

während das Überschallflugzeug durch diese Luft fliegt.

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

Das hat die als N-Welle bekannte Drucksignatur zur Folge.

What does this shape mean?

Was hat es mit dieser Form auf sich?

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

Der Überschallknall tritt auf, wenn es eine plötzliche Druckänderung gibt

and the N-wave involves two booms:

und die N-Welle umfasst zwei Knalle:

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

einen, bei dem ersten Druckanstieg an der Flugzeugnase,

and another for when the tail passes,

und einen weiteren, wenn das Heck den Schall überholt,

and the pressure suddenly returns to normal.

und der Druck plötzlich wieder normal wird.

This causes a double boom,

Das verursacht einen doppelten Knall,

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

den das menschliche Ohr aber gewöhnlich als einzelnen Knall wahrnimmt.

In practice, computer models using these principles

In der Praxis können Computermodelle, die diese Grundlagen anwenden,

can often predict the location and intensity of sonic booms

häufig Ort und Stärke des Überschallknalls

for given atmospheric conditions and flight trajectories,

für eingegebene Witterungsverhältnisse und Flugbahnen vorherbestimmen.

and there is ongoing research to mitigate their effects.

Es wird permanent geforscht, um ihre Wirkungen abzuschwächen.

In the meantime, supersonic flight over land remains prohibited.

Derweil bleiben Überschallflüge über dem Land verboten.

So, are sonic booms a recent creation?

Ist der Überschallknall eine kürzliche Schöpfung?

Not exactly.

Nicht unbedingt.

While we try to find ways to silence them,

Während wir versuchen sie leiser zu machen,

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

haben ein paar Tierarten Überschallknalle zu ihrem Vorteil genutzt.

The gigantic Diplodocus may have been capable of cracking its tail

Der riesige Diplodocus konnte möglicherweise

seinen Schwanz mit über 1200 km/h schneller als den Schall knallen lassen,

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

möglicherweise um Räuber abzuschrecken.

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

Manche Krebsarten erzeugen unter Wasser auch eine ähnliche Druckwelle,

stunning or even killing pray at a distance

um Beute mit nur einem Peitschenknall ihrer übergroßen Scheren

with just a snap of their oversized claw.

aus der Entfernung zu betäuben oder sogar zu töten.

So while we humans have made great progress

Während wir Menschen große Fortschritte gemacht haben

in our relentless pursuit of speed,

bei unserem unablässigen Streben nach Geschwindigkeit,

it turns out that nature was there first.

stellt sich heraus, dass die Natur schneller war.