The sonic boom problem - Katerina Kaouri

Переводчик: Alexander Sergeenko Редактор: Полина Гурина

Humans have been fascinated with speed for ages.

Скорость веками завораживала человека.

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

Развитие человечества связано с постоянным ростом скоростей,

and one of the most important achievements in this historical race

и одним из важнейших достижений в этой исторической гонке

was the breaking of the sound barrier.

стало преодоление звукового барьера.

Not long after the first successful airplane flights,

Вскоре после первых полётов

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

пилоты начали всё сильнее и сильнее разгонять свои самолёты.

But as they did so, increased turbulence

Это приводило к увеличению турбулентности,

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

а также сил сопротивления, мешавших дальнейшему ускорению.

Some tried to circumvent the problem through risky dives,

Некоторые пытались обойти проблему, предпринимая опасные манёвры,

often with tragic results.

которые часто заканчивались трагично.

Наконец в 1947 году такие конструктивные улучшения,

Finally, in 1947, design improvements,

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

как цельноповоротный хвост — подвижный горизонтальный стабилизатор,

allowed an American military pilot named Chuck Yeager

позволили пилоту ВВС США Чаку Йегеру

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

разогнать летательный аппарат Bell X-1 до скорости 1127 км/ч.

becoming the first person to break the sound barrier

Он стал первым человеком, преодолевшим звуковой барьер

and travel faster than the speed of sound.

и двигавшимся быстрее скорости звука.

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

Bell X-1 был первой ласточкой среди сверхзвуковых летательных аппаратов,

with later designs reaching speeds over Mach 3.

а дальнейшие доработки позволили ему достичь скоростей выше трёх Махов.

Aircraft traveling at supersonic speed create a shock wave

Летя на сверхзвуковой скорости, аппарат создаёт ударную волну

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

с громоподобным грохотом, известным как звуковой удар,

which can cause distress to people and animals below

который способен нанести ущерб людям и животным на земле

и даже повредить строения.

or even damage buildings.

По этой причине

For this reason,

учёные всего мира изучают звуковые удары,

scientists around the world have been looking at sonic booms,

trying to predict their path in the atmosphere,

пытаясь предугадать их траекторию в атмосфере,

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

место приземления и громкость.

To better understand how scientists study sonic booms,

Чтобы лучше понять, как учёные это делают,

let's start with some basics of sound.

давайте сначала разберёмся, что такое звук.

Imagine throwing a small stone in a still pond.

Представьте, что бросаете камешек в тихий пруд.

What do you see?

Что вы видите?

The stone causes waves to travel in the water

Камень вызывает волны, которые расходятся по воде

at the same speed in every direction.

со скоростью, одинаковой во всех направлениях.

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

Эти увеличивающиеся в диаметре круги называются волновые фронты.

Similarly, even though we cannot see it,

И хотя мы этого не видим,

a stationary sound source, like a home stereo,

неподвижный источник звука, к примеру, домашняя аудиосистема,

creates sound waves traveling outward.

также создаёт расходящиеся звуковые волны.

The speed of the waves depends on factors

Скорость волн зависит от ряда факторов,

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

таких как высота и температура окружающего воздуха.

Скорость звука на уровне моря приблизительно равна 1225 км/ч.

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

But instead of circles on a two-dimensional surface,

Но в отличие от кругов на плоской поверхности,

the wave fronts are now concentric spheres,

волновые фронты в этом случае — концентрические сферы,

with the sound traveling along rays perpendicular to these waves.

где звук движется вдоль лучей, перпендикулярных волнам.

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

Представьте подвижный источник звука, например, гудок поезда.

As the source keeps moving in a certain direction,

Когда источник движется в определённом направлении,

ряд волн впереди него уплотняется.

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

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

Увеличенная частота волн — причина знаменитого эффекта Доплера,

where approaching objects sound higher pitched.

когда звук объектов кажется выше с их приближением.

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

Но пока источник звука движется медленнее, чем сами звуковые волны,

they will remain nested within each other.

они остаются вложенными друг в друга.

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

При переходе объекта на сверхзвук, движение быстрее создаваемого звука,

that the picture changes dramatically.

картина резко меняется.

As it overtakes sound waves it has emitted,

Как только объект обгоняет выпущенные звуковые волны,

while generating new ones from its current position,

одновременно создавая новые из текущего положения,

the waves are forced together, forming a Mach cone.

они схлопываются, формируя конус Маха.

No sound is heard as it approaches an observer

Наблюдатель не слышит ни звука при приближении конуса,

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

потому что источник движется быстрее, чем звук, который он создаёт.

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

Только когда объект пронесётся мимо, мы услышим звуковой удар.

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

В месте пересечения конуса Маха с землёй образуется гипербола,

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

которая, двигаясь вперёд, оставляет след, известный как звуковой ковёр.

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

Это позволяет определить область, подвергшуюся звуковому удару.

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

А как вычислить его возможную силу?

This involves solving the famous Navier-Stokes equations

Для этого требуется решить знаменитую систему уравнений Навье — Стокса,

to find the variation of pressure in the air

чтобы найти изменение давления в воздухе,

due to the supersonic aircraft flying through it.

вызванное перемещением в нём сверхзвукового летательного аппарата.

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

В результате получают сигнатуру давления, известную как N-образная волна.

What does this shape mean?

Что означает такая форма?

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

Звуковой удар возникает при внезапном изменении давления,

and the N-wave involves two booms:

и N-образная волна описывает два удара:

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

первый — при изначальном росте давления у носовой части аппарата,

and another for when the tail passes,

а второй — после прохождения хвостовой части

and the pressure suddenly returns to normal.

и внезапного возвращения давления к нормальным значениям.

This causes a double boom,

Из-за этого происходит два хлопка,

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

но человеческое ухо обычно воспринимает их как один.

In practice, computer models using these principles

На практике компьютерные модели, использующие эти принципы,

can often predict the location and intensity of sonic booms

часто могут предсказать место появления и интенсивность звуковых ударов

for given atmospheric conditions and flight trajectories,

для данных атмосферных условий и траектории полёта,

and there is ongoing research to mitigate their effects.

и ведутся поиски способов снизить вред от ударов.

In the meantime, supersonic flight over land remains prohibited.

А пока сверхзвуковые полёты над землёй остаются под запретом.

So, are sonic booms a recent creation?

Являются ли звуковые удары чем-то новым?

Not exactly.

Не совсем.

While we try to find ways to silence them,

Пока мы ищем способы заглушить их,

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

некоторые животные издавна используют звуковые удары себе на пользу.

The gigantic Diplodocus may have been capable of cracking its tail

Гигантский диплодок, похоже, мог щёлкать своим хвостом быстрее звука,

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

со скоростью свыше 1200 км/ч, возможно, для отпугивания хищников.

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

Некоторые разновидности креветок тоже могут создавать ударные волны под водой,

stunning or even killing pray at a distance

оглушая или даже убивая жертву на расстоянии

with just a snap of their oversized claw.

одним щелчком своей огромной клешни.

So while we humans have made great progress

Так что хотя мы, люди, и достигли большого прогресса

in our relentless pursuit of speed,

в нашей неустанной погоне за скоростью,

it turns out that nature was there first.

как оказывается, природа была быстрей.