The sonic boom problem - Katerina Kaouri

תרגום: Ido Dekkers עריכה: Tal Dekkers

Humans have been fascinated with speed for ages.

האנושות היתה מוקסמת ממהירות במשך עידנים.

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

ההסטוריה של ההתקדמות האנושית היא אחת של מהירות מתגברת,

and one of the most important achievements in this historical race

ואחד מההשגים הכי חשובים במרוץ ההסטורי הזה

was the breaking of the sound barrier.

היה שבירת מחסום הקול.

Not long after the first successful airplane flights,

לא הרבה אחרי הטיסות המוצלחות הראשונות,

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

טייסים היו להוטים לדחוף את המטוסים שלהם לטוס מהר יותר ויותר.

But as they did so, increased turbulence

אבל כשהם עשו זאת, מערבולות מתגברות

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

וכוחות גדולים על המטוס מנעו מהם להאיץ יותר.

Some tried to circumvent the problem through risky dives,

כמה ניסו לעקוף את הבעיה דרך צלילות מסוכנות,

often with tragic results.

שהרבה פעמים הסתיימו בטרגדיות.

Finally, in 1947, design improvements,

לבסוף, ב 1947, שיפורי עיצוב,

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

כמו מייצבים אופקיים נעים, הזנב הנע כולו,

allowed an American military pilot named Chuck Yeager

אפשרו לטייס הצבא האמריקאי צ'אק ייגר

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

להטיס את מטוס הבל X-1 במהירות של 1127 קמ"ש,

becoming the first person to break the sound barrier

ולהפוך לאדם הראשון לשבור את מחסום הקול

and travel faster than the speed of sound.

ולנוע מהר ממהירות הקול.

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

הבל X-1 היה הראשון בין הרבה מטוסים על קוליים אחריו,

with later designs reaching speeds over Mach 3.

עם עיצובים מאוחרים יותר שמגיעים למהירות של יותר ממאך שלוש.

Aircraft traveling at supersonic speed create a shock wave

מטוסים הנעים במהירות על קוליות יוצרים גל הלם

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

עם רעש דמוי רעם שידוע כבום על קולי,

which can cause distress to people and animals below

שיכול לגרום לחץ לאנשים וחיות מתחת

or even damage buildings.

או אפילו להזיק לבניינים.

For this reason,

מהסיבה הזו,

מדענים מסביב לעולם חקרו בומים על קוליים,

scientists around the world have been looking at sonic booms,

trying to predict their path in the atmosphere,

בניסיון לחזות את הנתיב שלהם באטמוספירה,

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

היכן הם יפגעו, וכמה חזקים הם יהיו.

To better understand how scientists study sonic booms,

כדי להבין טוב יותר איך מדענים חוקרים בומים על קוליים,

let's start with some basics of sound.

בואו נתחיל עם העקרונות הבסיסיים של צליל.

Imagine throwing a small stone in a still pond.

דמיינו זריקת אבן קטנה לבריכה שקטה.

What do you see?

מה תראו?

The stone causes waves to travel in the water

האבן גורמת לגלים לנוע במים

at the same speed in every direction.

באותה מהירות בכל כיוון.

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

העיגולים האלה שממשיכים לגדול ברדיוס נקראים חזית הגל.

Similarly, even though we cannot see it,

בדומה, למרות שאנחנו לא רואים אותם,

a stationary sound source, like a home stereo,

מקור קול נייח, כמו מערכת סטראו ביתית,

creates sound waves traveling outward.

יוצר גלי קול שנעים החוצה.

The speed of the waves depends on factors

המהירות של הגלים האלה תלויה בגורמים

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

כמו הגובה והטמפרטורה של האויר דרכו הם נעים.

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

בגובה פני הים, קול נע בערך ב 1225 קמ"ש.

But instead of circles on a two-dimensional surface,

אבל במקום עיגולים על משטח דו מימדי,

the wave fronts are now concentric spheres,

חזיתות הגלים הן עכשיו כדורים קונצנטריים,

with the sound traveling along rays perpendicular to these waves.

עם הקול שנע לאורך קרניים שניצבות לגלים האלה.

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

עכשיו דמיינו מקור קול נע, כמו שריקת רכבת.

As the source keeps moving in a certain direction,

כשהמקור ממשיך להתקדם בכיוון מסוים,

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

הגלים הבאים לפניו יתצטופפו לפניו.

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

תדירות הגלים הגבוהה יותר היא הגורם לאפקט דופלר המפורסם,

where approaching objects sound higher pitched.

בו עצמים מתקרבים נשמעים עם גובה צליל גבוה יתר.

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

אבל כל עוד המקור נע לאט יותר מגלי הקול עצמם,

they will remain nested within each other.

הם ישארו מקוננים אחד בתוך השני.

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

זה כשהעצם נע במהירות על קולית, נע מהר מהקול שהוא יוצר,

that the picture changes dramatically.

שהתמונה משתנה דרמטית.

As it overtakes sound waves it has emitted,

כשהוא עוקף גלי קול שהוא עצמו יצר,

while generating new ones from its current position,

בעודו מייצר חדשים מהמיקום הנוכחי שלו,

the waves are forced together, forming a Mach cone.

הגלים נלחצים יחד, ויוצרים את חרוט המאך.

No sound is heard as it approaches an observer

אף צליל לא נשמע כשהוא מתקרב לצופה

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

מפני שהאובייקט נע מהר יותר מהקול שהוא יוצר.

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

רק אחרי שהוא עובר הצופה ישמע את הבום העל קולי.

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

במקום בו חרוט המאך פוגש את האדמה, הוא יוצר היפרבולה,

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

ומשאיר שובל הידוע בשטיח הבום כשהוא נע קדימה.

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

זה עושה את זה לאפשרי לקבוע את האזור שמושפע על ידי הבום העל קולי.

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

מה עם להבין כמה חזק הבום העל קולי יהיה?

This involves solving the famous Navier-Stokes equations

זה כולל את פתירת משוואות נבייר סטוקס המפורסמות

to find the variation of pressure in the air

כדי למצוא את השתנות הלחץ באויר

due to the supersonic aircraft flying through it.

בשל המטוס העל קולי שנע דרכו.

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

התוצאה היא חתימת לחץ שידועה כגל N.

What does this shape mean?

מה המשמעות של הצורה הזו?

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

ובכן, הבום העל קולי מתרחש כשיש שינוי פתאומי בלחץ,

and the N-wave involves two booms:

וגלי ה N כוללים שני בומים:

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

אחד לעליית הלחץ הראשונית באף של המטוס,

and another for when the tail passes,

ונוספת כשהזנב עובר,

and the pressure suddenly returns to normal.

והלחץ פתאום חוזר לנורמלי.

This causes a double boom,

זה גורם לבום כפול,

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

אבל זה בדרך כלל נשמע כבום יחיד לאוזני האנשים.

In practice, computer models using these principles

למעשה, מודלים ממוחשבים שמשתמשים בעיקרון הזה

can often predict the location and intensity of sonic booms

יכולים הרבה פעמים לחזות את המיקום והעוצמה של בומים על קוליים

for given atmospheric conditions and flight trajectories,

עבור מצבים אטמוספריים ולנתונים עם כיווני טיסה,

and there is ongoing research to mitigate their effects.

ויש מחקר מתמשך למתן את השפעות האלו.

In the meantime, supersonic flight over land remains prohibited.

בינתיים, טיסה על קולית מעל האדמה נשארת אסורה.

So, are sonic booms a recent creation?

אז, האם בומים על קוליים הם יצירה עדכנית?

Not exactly.

לא בדיוק.

While we try to find ways to silence them,

בעוד אנחנו מנסים למצוא דרכים להשתיק אותם,

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

חיות אחרות השתמשו בבומים על קוליים לתועלתן.

The gigantic Diplodocus may have been capable of cracking its tail

הדיפלודוקוס העצום היה אולי מסוגל להצליף בזנבו

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

מהר ממהירות הקול, מעל 1200 קמ"ש, כנראה כדי להרתיע טורפים.

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

כמה מינים של שרימפס יכולים ליצור גל הלם דומה במים,

stunning or even killing pray at a distance

ולהמם או אפילו להרוג טרף ממרחק

with just a snap of their oversized claw.

עם הקשה בצבתם הענקית.

So while we humans have made great progress

אז בעוד אנחנו האנשים התקדמנו הרבה

in our relentless pursuit of speed,

במרדף חסר המנוח שלנו אחרי המהירות,

it turns out that nature was there first.

מסתבר שהטבע היה שם קודם.