The sonic boom problem - Katerina Kaouri

Μετάφραση: Christos Selemeles Επιμέλεια: Chryssa R. Takahashi

Humans have been fascinated with speed for ages.

Οι άνθρωποι πάντα έβρισκαν συναρπαστική την ταχύτητα.

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

Η ιστορία της προόδου της ανθρωπότητας είναι ιστορία αυξανόμενης ταχύτητας

and one of the most important achievements in this historical race

και ένα από τα πιο σημαντικά επιτεύγματα αυτού του ιστορικού αγώνα δρόμου

was the breaking of the sound barrier.

ήταν το σπάσιμο του φράγματος του ήχου.

Not long after the first successful airplane flights,

Λίγο μετά τις πρώτες επιτυχημένες πτήσεις αεροπλάνων,

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

οι πιλότοι ανυπομονούσαν τα αεροπλάνα τους να πηγαίνουν όλο και γρηγορότερα.

But as they did so, increased turbulence

Αλλά οι αυξανόμενοι στροβιλισμοί

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

και οι ισχυρές δυνάμεις στα αεροπλάνα τούς απέτρεπαν από μεγαλύτερες ταχύτητες.

Some tried to circumvent the problem through risky dives,

Κάποιοι προσπάθησαν να παρακάμψουν το πρόβλημα με ριψοκίνδυνες βουτιές,

often with tragic results.

συχνά με τραγικά αποτελέσματα.

Finally, in 1947, design improvements,

Τελικά, το 1947, οι βελτιώσεις στον σχεδιασμό,

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

όπως ένας κινητός οριζόντιος σταθεροποιητής, το κινητό ουραίο πτέρωμα

allowed an American military pilot named Chuck Yeager

επέτρεψαν στον Αμερικανό στρατιωτικό πιλότο Τσακ Γιέγκερ

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

να πετάξει το αεροσκάφος Bell X-1 με 1127 χλμ/ώρα

becoming the first person to break the sound barrier

και να γίνει ο πρώτος άνθρωπος, που έσπασε το φράγμα του ήχου

and travel faster than the speed of sound.

και ταξίδεψε γρηγορότερα από την ταχύτητα του ήχου.

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

Το Bell X-1 ακολούθησαν πολλά υπερηχητικά αεροσκάφη,

with later designs reaching speeds over Mach 3.

και τα επόμενα μοντέλα έφτασαν μέχρι ταχύτητες 3 Μαχ.

Aircraft traveling at supersonic speed create a shock wave

Αεροσκάφη, που ταξιδεύουν σε υπερηχητικές ταχύτητες, δημιουργούν ένα ωστικό κύμα

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

με έναν κρότο σαν βροντή, που ονομάζεται ηχητικό μπουμ,

which can cause distress to people and animals below

μπορεί να προκαλέσει δυσφορία σε ανθρώπους και ζώα στη γη

or even damage buildings.

ακόμα και ζημιές σε κτίρια.

For this reason,

Γι' αυτό,

scientists around the world have been looking at sonic booms,

οι επιστήμονες ανά τον κόσμο μελετούν τα ηχητικά μπουμ,

trying to predict their path in the atmosphere,

προσπαθούν να προβλέψουν τη διαδρομή τους στην ατμόσφαιρα,

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

πού θα καταλήξουν στη γη και πόσο δυνατά θα είναι.

To better understand how scientists study sonic booms,

Για να καταλάβουμε καλύτερα πώς μελετούν οι επιστήμονες τα ηχητικά μπουμ,

let's start with some basics of sound.

ας ξεκινήσουμε με τα βασικά του ήχου.

Imagine throwing a small stone in a still pond.

Φανταστείτε ότι πετάμε μια μικρή πέτρα σε μια λιμνούλα.

What do you see?

Τι βλέπετε;

The stone causes waves to travel in the water

Η πέτρα δημιουργεί κύματα, που ταξιδεύουν στο νερό

at the same speed in every direction.

με την ίδια ταχύτητα προς όλες τις κατευθύνσεις.

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

Αυτοί οι κύκλοι, των οποίων η ακτίνα μεγαλώνει ονομάζονται «μέτωπα κύματος».

Similarly, even though we cannot see it,

Παρόμοια, αν και δεν τα βλέπουμε,

a stationary sound source, like a home stereo,

μια ακίνητη πηγή ήχου, όπως ένα στερεοφωνικό,

creates sound waves traveling outward.

δημιουργεί ηχητικά κύματα που ταξιδεύουν προς τα έξω.

The speed of the waves depends on factors

Η ταχύτητα των κυμάτων εξαρτάται από παράγοντες,

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

όπως το υψόμετρο και η θερμοκρασία του αέρα μέσα στον οποίο ταξιδεύουν.

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

Στο επίπεδο της θάλασσας, ο ήχος ταξιδεύει με περίπου 1225 χλμ/ώρα.

But instead of circles on a two-dimensional surface,

Αλλά αντί για κύκλους σε μια διδιάστατη επιφάνεια,

the wave fronts are now concentric spheres,

τα μέτωπα κύματος είναι τώρα ομόκεντρες σφαίρες,

with the sound traveling along rays perpendicular to these waves.

με τον ήχο να ταξιδεύει κατά μήκος ακτίνων κάθετων σε αυτά τα κύματα.

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

Τώρα φανταστείτε μία κινούμενη πηγή ήχου, όπως τη σφυρίχτρα ενός τρένου.

As the source keeps moving in a certain direction,

Καθώς η πηγή κινείται προς κάποια κατεύθυνση,

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

τα διαδοχικά κύματα μπροστά του συμπυκνώνονται όλο και περισσότερο.

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

Αυτή η μεγαλύτερη συχνότητα των κυμάτων είναι η αιτία του φαινομένου Ντόπλερ,

where approaching objects sound higher pitched.

στο οποίο αντικείμενα, που πλησιάζουν ακούγονται πιο υψίσυχνα.

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

Αλλά όσο η πηγή κινείται αργότερα από τα ακουστικά κύματα,

they will remain nested within each other.

αυτά παραμένουν το ένα μέσα στο άλλο.

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

Όταν όμως ένα αντικείμενο γίνει υπερηχητικό,

δηλαδή κινείται γρηγορότερα από τον ήχο που παράγει, η εικόνα αλλάζει δραματικά.

that the picture changes dramatically.

As it overtakes sound waves it has emitted,

Καθώς προσπερνά τα ηχητικά κύματα, που έχει εκπέμψει,

while generating new ones from its current position,

ενώ δημιουργεί καινούρια στη νέα του θέση,

the waves are forced together, forming a Mach cone.

τα κύματα συμπιέζονται και σχηματίζουν έναν κώνο Μαχ.

No sound is heard as it approaches an observer

Δεν ακούγεται κανένας ήχος καθώς πλησιάζει έναν παρατηρητή,

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

επειδή το αντικείμενο ταξιδεύει γρηγορότερα από τον ήχο που παράγει.

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

Μόνο αφού το αντικείμενο έχει περάσει από τον παρατηρητή ακούγεται το ηχητικό μπουμ.

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

Εκεί που ο κώνος Μαχ συναντά το έδαφος, σχηματίζει μια υπερβολή

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

και αφήνει ένα ίχνος, τον «τάπητα του μπουμ», καθώς ταξιδεύει προς τα εμπρός.

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

Χάρη σε αυτό γνωρίζουμε την περιοχή όπου έχει επιδράσει το ηχητικό μπουμ.

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

Τι γίνεται όμως με την ένταση του ηχητικού μπουμ;

This involves solving the famous Navier-Stokes equations

Αυτό εμπλέκει την επίλυση των περίφημων εξισώσεων Ναβίερ-Στόουκς

to find the variation of pressure in the air

για την εύρεση της μεταβολής της πίεσης του αέρα

due to the supersonic aircraft flying through it.

εξαιτίας του υπερηχητικού αεροπλάνου, που ταξιδεύει μέσα του.

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

Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα αποτύπωμα της πίεσης, γνωστό ως «κύμα Ν».

What does this shape mean?

Τι σημαίνει αυτό το σχήμα;

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

Το ηχητικό μπουμ συμβαίνει όταν υπάρχουν ξαφνικές μεταβολές στην πίεση

and the N-wave involves two booms:

και το κύμα N περιλαμβάνει δύο μπουμ:

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

ένα για την αρχική αύξηση της πίεσης στο ρύγχος του αεροσκάφους

and another for when the tail passes,

και ένα για όταν η περνά η ουρά

and the pressure suddenly returns to normal.

και η πίεση επιστρέφει ξαφνικά στην κανονική της τιμή.

This causes a double boom,

Αυτό προκαλεί το διπλό μπουμ,

αλλά στα ανθρώπινα αυτιά συνήθως ακούγεται σαν ένα μπουμ.

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

In practice, computer models using these principles

Στην πράξη, μοντέλα σε υπολογιστές, που χρησιμοποιούν αυτές τις αρχές

can often predict the location and intensity of sonic booms

μπορούν συχνά να προβλέπουν τη θέση και ένταση των ηχητικών μπουμ

for given atmospheric conditions and flight trajectories,

για δεδομένες ατμοσφαιρικές συνθήκες και τροχιές πτήσης

and there is ongoing research to mitigate their effects.

και γίνεται έρευνα για την άμβλυνση των φαινομένων τους.

In the meantime, supersonic flight over land remains prohibited.

Στο μεταξύ, οι υπερηχητικές πτήσεις πάνω από τη στεριά απαγορεύονται.

So, are sonic booms a recent creation?

Είναι, λοιπόν, τα ηχητικά μπουμ πρόσφατη δημιουργία;

Not exactly.

Όχι ακριβώς.

While we try to find ways to silence them,

Ενώ προσπαθούμε να βρούμε τρόπους να τα κάνουμε να σωπάσουν

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

μερικά άλλα ζώα χρησιμοποιούν τα ηχητικά μπουν προς όφελός τους.

The gigantic Diplodocus may have been capable of cracking its tail

Ο γιγαντιαίος διπλόδοκος ίσως ήταν ικανός να κουνά την ουρά του

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

γρηγορότερα από τον ήχο, με ταχύτητα μεγαλύτερη από 1200 χλμ/ώρα,

πιθανώς για να τρομάξει τα αρπακτικά.

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

Μερικά είδη γαρίδων επίσης δημιουργούν ένα παρόμοιο ωστικό κύμα υποβρυχίως

stunning or even killing pray at a distance

ζαλίζοντας ή ακόμα και σκοτώνοντας τα θηράματα τους από απόσταση

with just a snap of their oversized claw.

με μόνο έναν κρότο της υπερμεγέθους δαγκάνας τους.

So while we humans have made great progress

Έτσι, ενώ οι άνθρωποι έχουμε κάνει μεγάλη πρόοδο

in our relentless pursuit of speed,

στο αμείλικτο μας κυνήγι της ταχύτητας,

it turns out that nature was there first.

η φύση μάς έχει προλάβει.