The sonic boom problem - Katerina Kaouri

Tłumaczenie: Ola Królikowska Korekta: Anna Sobota

Humans have been fascinated with speed for ages.

Prędkość od wieków fascynuje ludzkość.

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

Postęp od zawsze wiązał się ze nieustannym wzrostem prędkości,

and one of the most important achievements in this historical race

a jednym z najważniejszych osiągnięć w tym historycznym wyścigu

was the breaking of the sound barrier.

było przełamanie bariery dźwięku.

Not long after the first successful airplane flights,

Tuż po pierwszych udanych lotach

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

ich szybkość stała się dla pilotów bardzo ważna.

But as they did so, increased turbulence

Ale im szybszy był lot, tym więcej było turbulencji

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

a siły działające na samolot uniemożliwiały wzrost jego prędkości.

Some tried to circumvent the problem through risky dives,

Niektórzy próbowali obejść problem poprzez ryzykowne nurkowania,

often with tragic results.

często z tragicznym skutkiem.

Wreszcie w 1947 roku ulepszenia konstrukcyjne,

Finally, in 1947, design improvements,

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

jak ruchomy stabilizator poziomy, czyli ruchomy ogon,

allowed an American military pilot named Chuck Yeager

pozwoliły amerykańskiemu pilotowi wojskowemu Chuckowi Yeagerowi

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

polecieć samolotem Bell X-1

z prędkością 1127 kilometrów na godzinę

becoming the first person to break the sound barrier

i zostać pierwszą osobą, która przełamała barierę dźwięku

and travel faster than the speed of sound.

i poruszała się szybciej niż prędkość dźwięku.

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

Bell X-1 był pierwszym z wielu samolotów naddźwiękowych,

with later designs reaching speeds over Mach 3.

a dalsze ulepszenia pozwoliły mu osiągnąć prędkość powyżej trzech machów.

Aircraft traveling at supersonic speed create a shock wave

Samolot poruszający się z prędkością ponaddźwiękową wytwarza falę uderzeniową

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

z odgłosem przypominającym grzmot, znany jako grom dźwiękowy,

which can cause distress to people and animals below

który może nawet wywołać krzywdę ludziom lub zwierzętom

a nawet uszkodzić budynki.

or even damage buildings.

Z tego powodu

For this reason,

naukowcy z całego świata badają gromy dźwiękowe,

scientists around the world have been looking at sonic booms,

trying to predict their path in the atmosphere,

próbując przewidzieć ich trajektorię w atmosferze,

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

miejsce lądowania i głośność.

Żeby lepiej zrozumieć, jak naukowcy badają gromy dźwiękowe,

To better understand how scientists study sonic booms,

let's start with some basics of sound.

zacznijmy od podstaw dźwięku.

Imagine throwing a small stone in a still pond.

Wyobraź sobie, że wrzucasz kamyk do spokojnego stawu.

What do you see?

Co widzisz?

Kamień powoduje, że fale przemieszczają się w wodzie

The stone causes waves to travel in the water

at the same speed in every direction.

z taką samą prędkością w każdym kierunku.

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

Te rosnące kręgi to fronty falowe.

Similarly, even though we cannot see it,

Podobnie, chociaż tego nie widzimy,

a stationary sound source, like a home stereo,

stacjonarne źródło dźwięku, jak domowe stereo,

creates sound waves traveling outward.

tworzy fale dźwiękowe rozchodzące się na zewnątrz.

Prędkość fal zależy od czynników

The speed of the waves depends on factors

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

typu wysokość i temperatura powietrza, przez które się poruszają.

Prędkość dźwięku na poziomie morza wynosi około 1225 km/h.

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

But instead of circles on a two-dimensional surface,

Ale w przeciwieństwie do okręgów na płaskiej powierzchni,

the wave fronts are now concentric spheres,

fronty falowe są koncentrycznymi kulami,

with the sound traveling along rays perpendicular to these waves.

gdzie dźwięk rozchodzi się wzdłuż promieni prostopadłych do fal.

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

Teraz wyobraź sobie ruchome źródło dźwięku, jak gwizdek pociągu.

Ponieważ źródło wciąż się porusza w określonym kierunku,

As the source keeps moving in a certain direction,

rząd fal przed nim staje się zagęszczony.

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

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

Zwiększona częstotliwość fal jest przyczyną słynnego efektu Dopplera,

where approaching objects sound higher pitched.

gdzie zbliżające się obiekty wydają wyższy dźwięk.

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

Ale dopóki źródło porusza się wolniej niż same fale dźwiękowe,

they will remain nested within each other.

pozostaną zagnieżdżone w sobie.

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

Dopiero gdy obiekt przechodzi w stan ponaddźwiękowy

i porusza się szybciej niż dźwięk, który wydaje,

that the picture changes dramatically.

sytuacja radykalnie się zmienia.

As it overtakes sound waves it has emitted,

Wyprzedzając emitowane przez siebie fale dźwiękowe

i generując nowe z obecnej pozycji,

while generating new ones from its current position,

the waves are forced together, forming a Mach cone.

fale są spychane razem, tworząc stożek Macha.

No sound is heard as it approaches an observer

Obserwator nie słyszy dźwięku, kiedy zbliża się stożek,

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

bo obiekt porusza się szybciej niż dźwięk, który wydaje.

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

Dopiero po przejściu obiektu obserwator usłyszy grom dźwiękowy.

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

W miejscu zetknięcia z ziemią stożek Macha tworzy hiperbolę,

pozostawiając w trakcie ruchu do przodu ślad przypominający “dywan gromowy”.

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

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

To pozwala określić obszar, na który oddziałuje grom dźwiękowy.

A co z określeniem jego siły?

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

This involves solving the famous Navier-Stokes equations

Wymaga to rozwiązania słynnego układu równań Naviera-Stokesa,

to find the variation of pressure in the air

znalezienia zmiany ciśnienia w powietrzu

z powodu ruchu naddźwiękowego samolotu.

due to the supersonic aircraft flying through it.

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

Rezultatem jest sygnatura ciśnienia znana jako fala N.

What does this shape mean?

Co oznacza ten kształt?

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

Grom dźwiękowy pojawia się, kiedy następuje nagła zmiana ciśnienia,

and the N-wave involves two booms:

a fala w kształcie litery N opisuje dwa gromy.

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

Jeden dla początkowego wzrostu ciśnienia na dziobie samolotu,

and another for when the tail passes,

a drugi po przejściu sekcji ogonowej,

kiedy ciśnienie nagle wraca do normy.

and the pressure suddenly returns to normal.

Powoduje to podwójny grom,

This causes a double boom,

ale ludzkie ucho zwykle postrzega go jako jeden.

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

In practice, computer models using these principles

W praktyce modele komputerowe wykorzystujące te zasady

can often predict the location and intensity of sonic booms

często potrafią przewidzieć lokalizację i intensywność gromów dźwiękowych

dla danych warunków atmosferycznych i trajektorii lotu.

for given atmospheric conditions and flight trajectories,

and there is ongoing research to mitigate their effects.

Cały czas trwają też badania, aby złagodzić ich skutki.

In the meantime, supersonic flight over land remains prohibited.

Obecnie loty naddźwiękowe nad lądem są zabronione.

So, are sonic booms a recent creation?

Czy więc gromy dźwiękowe są czymś nowym?

Not exactly.

Nie całkiem.

Podczas gdy szukamy sposobów na ich uciszenie,

While we try to find ways to silence them,

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

inne zwierzęta wykorzystały gromy dźwiękowe na swoją korzyść.

The gigantic Diplodocus may have been capable of cracking its tail

Gigantyczny diplodok potrafił trzasnąć ogonem szybciej niż dźwięk

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

z prędkością ponad 1200 km/h zapewne w celu odstraszenia drapieżnika.

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

Niektóre rodzaje krewetek też mogą tworzyć podobną falę uderzeniową pod wodą,

stunning or even killing pray at a distance

ogłuszającą, a nawet zabijającą drapieżnika z dystansu

with just a snap of their oversized claw.

jednym pstryknięciem ich przerośniętych szczypiec.

So while we humans have made great progress

Choć więc ludzie zrobili ogromne postępy

w nieustannej pogoni za prędkością,

in our relentless pursuit of speed,

it turns out that nature was there first.

okazuje się, że natura była szybsza.