The sonic boom problem - Katerina Kaouri

Translator: soheila Jafari Reviewer: Ali Hosseini

Humans have been fascinated with speed for ages.

انسان برای قرن‌ها شیفته و مجذوب سرعت بوده.

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

تاریخ پیشرفت بشر همواره پرشتاب‌ بوده است،

and one of the most important achievements in this historical race

و یکی از مهمترین دستاوردهای انسان در این عصر تاریخی

was the breaking of the sound barrier.

شکستن دیوار صوتی بود.

Not long after the first successful airplane flights,

مدت کوتاهی پس از اولین پرواز موفقیت‌آمیز هواپیما،

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

خلبانان مشتاق شدند تا هواپیمایشان سریع و سریع‌تر حرکت کند.

But as they did so, increased turbulence

اما با اینکار تلاطم هواپیما افزایش یافته

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

و نیروهای مقاوم بزرگ بر هواپیما از سرعت بیشتر جلوگیری می‌کرد.

Some tried to circumvent the problem through risky dives,

برخی تلاش کردند با شیرجه خطرناک مشکل را دور بزنن،د

often with tragic results.

که اغلب نتایج غم انگیزی داشت.

Finally, in 1947, design improvements,

آخر سر، در سال ۱۹۴۷، طراحی پیشرفت کرد،

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

و این تثبیت کننده افقی قابل حرکت بود، که دم هواپیمای کاملاً متحرک شد،

allowed an American military pilot named Chuck Yeager

و اجازه داد که خلبان ارتش آمریکا به نام چاک ییگر

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

با هواپیمایBell X-1 با سرعت ۱٫۱۲۷ کیلومتر بر ساعت حرکت پرواز کند.

becoming the first person to break the sound barrier

و اولین کسی شد که دیوار صوتی را شکست

and travel faster than the speed of sound.

و از سرعت صوت سریعتر سفر کرد.

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

Bell X-1 اولین هواپیما از تعداد زیادی هواپیمای مافوق صوت بود که پس از آن آمدند،

with later designs reaching speeds over Mach 3.

و طرح‌هایی که به سرعت بیش از ۳ ماخ رسیدند. (نسبت سرعت جسمی در سیال به سرعت صوت)

Aircraft traveling at supersonic speed create a shock wave

هواپیماهایی که مافوق سرعت حرکت می‌کنند امواج شوک درست می‌کنند

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

همراه با صدایی شبیه رعد و برق که بمب صوتی خوانده می شود،

which can cause distress to people and animals below

که می‌تواند ناراحتی‌هایی برای مردم و حیوانات در آن پائین ایجاد کند

or even damage buildings.

حتی می‌تواند به ساختمان‌ها آسیب برساند.

For this reason,

به همین دلیل،

scientists around the world have been looking at sonic booms,

دانشمندان در سراسر جهان که به دنبال بمب‌های صوتی هستند،

trying to predict their path in the atmosphere,

تلاش می‌کنند تا مسیر آنها را در جو پیش بینی کنند،

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

کجا آنها پایان می‌یابند، و صدای آنها چقدر بلند خواهد بود.

To better understand how scientists study sonic booms,

برای درک بهترچگونگی مطالعه بمب‌های صوتی،

let's start with some basics of sound.

بگذارید با برخی از خاصیت‌های اصلی صدا شروع کنیم.

Imagine throwing a small stone in a still pond.

تصور کنید که یک سنگ کوچک در آب یک برکه پرتاب کنید.

What do you see?

چه چیزی را می‌بینید؟

The stone causes waves to travel in the water

سنگ باعث می‌شود که امواج در آب

at the same speed in every direction.

با سرعتی ثابت در همه جهت‌ها حرکت کند.

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

شعاع دایره‌ها بزرگتر و بزرگتر می‌شود و به آن جبهه موج می‌گویند.

Similarly, even though we cannot see it,

مشابه آن، حتی با اینکه نمی‌توانیم آن را ببینیم،

a stationary sound source, like a home stereo,

یک منبع ثابت صدا، مانند استریوی خانگی،

creates sound waves traveling outward.

امواج صوتی را می‌سازد که در اطراف حرکت می‌کنند.

The speed of the waves depends on factors

سرعت امواج بستگی به عواملی

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

مانند ارتفاع و دمای هوایی که صدا در آن حرکت می‌کند دارد.

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

در سطح دریا، صوت با سرعت ۱٫۲۲۵ کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کند.

But instead of circles on a two-dimensional surface,

اما به جای حرکت در سطح دو بُعدی،

the wave fronts are now concentric spheres,

جبه امواج بشکل کره‌های متحدالشکل حرکت می‌کنند،

with the sound traveling along rays perpendicular to these waves.

با صدایی که شعاع آن عمود بر این امواج هستند.

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

حال یک منبع صدای در حال حرکت، مانند سوت قطار را تصور کنید.

As the source keeps moving in a certain direction,

همانطور که منبع صدا در جهت معینی حرکت می‌کند،

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

موج های متوالی در مقابل آن تبدیل به دسته‌ای خواهد شد که به هم نزدیک می‌شوند.

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

فرکانس این موج بزرگتر باعث ایجاد اثرمشهور دوپلر می‌شود،

where approaching objects sound higher pitched.

که در آن جسمی که نزدیک می‌شود صدای بلندتری ایجاد می‌کند.

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

اما تا زمانی که منبع صوت سرعتی کمتر امواج خود صدا دارد،

they will remain nested within each other.

آنها با هم باقی می‌مانند.

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

هنگامی که جسمی مافوق صوت، سریع تر از صدایی که می‌سازد درحرکت است،

that the picture changes dramatically.

وضعیت کاملاً تغییر می‌کند.

As it overtakes sound waves it has emitted,

جسم از امواجی که خود ساخته، سبقت می‌گیرد،

while generating new ones from its current position,

و همزمان امواج جدیدی از موقعیت فعلی‌اش تولید می‌کند،

the waves are forced together, forming a Mach cone.

امواج به هم فشرده شده و یک ماخ مخرطی ایجاد می‌کنند.

No sound is heard as it approaches an observer

ناظر با نزدیک شدن جسم هیچ صدایی نمی‌شنود

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

زیرا جسم سریعتر از صوت خود حرکت می‌کند.

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

تنها پس از اینکه جسم رد شد ناظر صدای بمب صوتی را می‌شنود.

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

جایی که مخروط ماخ با زمین برخورد می‌کند، یک هذلولی شکل می‌گیرد،

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

با رفتن به جلو دنباله ای به نام بستر بمب صوتی ایجاد می‌کند.

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

این امکان را برای تعیین منطقه تحت تاثیر بمب صوتی ایجاد می‌کند.

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

در مورد اینکه بفهمیم که یک بمب صوتی چقدر قوی خواهد بود چطور؟

This involves solving the famous Navier-Stokes equations

این به حل معادلات دیفرانسیل معروف «ناویر-استوکس» بستگی دارد

to find the variation of pressure in the air

تا تغییرات فشار هوا را

due to the supersonic aircraft flying through it.

با توجه به هواپیمای مافوق صوتی که در آن پرواز می‌کند، بیابیم.

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

این نتایج ناشی از فشار به نام N-موج (N-wave) شناخته شده است.

What does this shape mean?

این شکل به چه معناست؟

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

خوب، انفجار صوتی هنگامی که تغییری ناگهانی در فشاربوجود آید رخ می دهد،

and the N-wave involves two booms:

و N-موج شامل دو غرش هست:

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

یکی برای افزایش فشار اولیه در دماغه هواپیما،

and another for when the tail passes,

و دیگری برای زمانی که دم هواپیما عبور می‌کند،

and the pressure suddenly returns to normal.

و فشار ناگهان به حالت عادی باز می گردد.

This causes a double boom,

این باعث ایجاد دو غرش می‌شود،

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

اما معمولا گوش‌های انسان آن را تنها به صورت یک صدا می‌شنود.

In practice, computer models using these principles

استفاده از این اصول در مدل‌های کامپیوتری

can often predict the location and intensity of sonic booms

اغلب می‌تواند محل و شدت بمب صوتی را برای

for given atmospheric conditions and flight trajectories,

با توجه شرایط اتمسفر و خط مسیر پرواز پییش بینی کند،

and there is ongoing research to mitigate their effects.

و تحقیقاتی برای کاهش اترات آن در حال انجام هست.

In the meantime, supersonic flight over land remains prohibited.

در این میان، پرواز مافوق صوت بر روی زمین همچنان ممنوع است.

So, are sonic booms a recent creation?

خُب، آیا بمب صوتی اخیراً ایجاد شده است؟

Not exactly.

دقیقاً نه.

While we try to find ways to silence them,

در حالیکه سعی داریم راه‌هایی برای خاموشی آن بیابیم،

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

تعداد کمی از حیوانات از بمب صوتی به نفع خود استفاده می کنند.

The gigantic Diplodocus may have been capable of cracking its tail

دیپلودکس غول پیکر می‌توانست دُم خودش را سریعتر از صوت تکان بدهد،

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

بیش از ۱٫۲۰۰ کیلومتر بر ثانیه، از شکارچیان محفوظ بماند.

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

همچنین برخی از انواع میگو می‌توانند شوک مشابهی را در زیرآب ایجاد کنند،

stunning or even killing pray at a distance

که سبب گیج کردن و یا حتی کشتن شکارچی در فاصله‌ای مشخص

with just a snap of their oversized claw.

تنها با به هم زدن ناگهانی پنجه‌های بزرگشان می‌شود.

So while we humans have made great progress

خب در حالی که ما انسانها پیشرفت بزرگی

in our relentless pursuit of speed,

در تعقیب بی امان سرعت داشته‌ایم،

it turns out that nature was there first.

ولی معلوم شد که طبیعت از ابتدا این پدیده را داشت.