The sonic boom problem - Katerina Kaouri

Translator: Gosol Rattanapinta Reviewer: Kelwalin Dhanasarnsombut

Humans have been fascinated with speed for ages.

มนุษย์หลงใหลความเร็วมาเนิ่นนานแล้ว

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

สิ่งหนึ่งในประวัติศาสตร์ความก้าวหน้าของมนุษย์ คือการเพิ่มความเร็วให้มากยิ่งขึ้น

and one of the most important achievements in this historical race

และหนึ่งในความสำเร็จที่สำคัญที่สุด ของความพยายามที่ยาวนานนี้

was the breaking of the sound barrier.

คือการทำลายกำแพงเสียงลงให้ได้

Not long after the first successful airplane flights,

ไม่นานนักหลังจากการนำเครื่องบิน ขึ้นบินได้สำเร็จเป็นครั้งแรก

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

นักบินต่างต้องการ ที่จะให้เครื่องบินบินให้เร็วขึ้นและเร็วขึ้นไปอีก

But as they did so, increased turbulence

แต่เมื่อทำเช่นนั้นแล้ว จะทำให้เครื่องบินสั่นมากขึ้น

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

แรงกดมหาศาลต่อเครื่องบิน ทำให้พวกเขาเร่งความเร็วขึ้นไปอีกไม่ได้

Some tried to circumvent the problem through risky dives,

บางคนพยายามแก้ปัญหา ด้วยการลองเสี่ยงดำลงไปในน้ำ

often with tragic results.

แต่ก็มักได้ผลลัพท์ที่น่าเศร้า

Finally, in 1947, design improvements,

ในที่สุด ในปี ค.ศ. 1947 มีการออกแบบที่ดีมากยิ่งขึ้น

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

เช่นมีที่ปรับตัวปรับสมดุลระดับแนวนอนเคลื่อนที่ได้ และหางเสือที่เคลื่อนไหวได้ทั้งหมด

allowed an American military pilot named Chuck Yeager

ทำให้ทหารอากาศชาวอเมริกันที่ชื่อว่า ชัค เยเกอร์

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

นำเครื่องบิน เบลล์ เอ็กซ์วัน บินที่ความเร็ว 1,127 กิโลเมตรต่อชั่วโมงได้สำเร็จ

becoming the first person to break the sound barrier

กลายเป็นมนุษย์คนแรก ที่ทำลายกำแพงเสียงลงได้

and travel faster than the speed of sound.

และเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าความเร็วเสียง

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

เบลล์ เอ็กซ์วัน เป็นเครื่องบินเหนือเสียงลำแรก ก่อนที่จะมีรุ่นอื่น ๆ ตามมา

with later designs reaching speeds over Mach 3.

โดยรุ่นล่าสุดทำความเร็วเหนือเสียง ไปได้มากกว่า 3 มัคแล้ว

Aircraft traveling at supersonic speed create a shock wave

เครืองบินที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเสียง จะสร้างคลื่นกระแทกออกมา

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

ด้วยเสียงดังราวกับฟ้าผ่า ที่รู้จักกันในชื่อว่า คลื่นโซนิคบูม

which can cause distress to people and animals below

ที่อาจไปรบกวนคนและสัตว์ที่อยู่ด้านล่าง

or even damage buildings.

หรือแม้กระทั่งสร้างความเสียหาย ให้กับบ้านเรือน

For this reason,

ด้วยเหตุผลนี้เอง

scientists around the world have been looking at sonic booms,

นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกจึงสนใจคลื่นโซนิคบูมนี้

trying to predict their path in the atmosphere,

โดยพยายามทำนายเส้นทางของมันในบรรยากาศ

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

ที่ที่มันจะตกกระทบ และระดับเสียงของมัน

To better understand how scientists study sonic booms,

เพื่อให้เข้าใจได้ดีขึ้นว่า นักวิทยาศาสตร์ ศึกษาเรื่องของคลื่นโซนิคบูมอย่างไร

let's start with some basics of sound.

เรามาเริ่มจากพื้นฐาน การกำเนิดของเสียงกันก่อน

Imagine throwing a small stone in a still pond.

ลองคิดว่า เราโยนก้อนหินเล็ก ๆ ลงไปในบ่อน้ำที่สงบนิ่งดู

What do you see?

เห็นอะไรไหม

The stone causes waves to travel in the water

ก้อนหินทำให้เกิดคลื่นเดินทางไปในน้ำ

at the same speed in every direction.

ด้วยความเร็วเท่า ๆ กันในทุกทิศทาง

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

วงกลมที่ใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆในทุกทิศทางนี้ เรียกว่าแนวคลื่น

Similarly, even though we cannot see it,

คล้ายกัน แม้เราจะมองไม่เห็นมันก็ตาม

a stationary sound source, like a home stereo,

แหล่งต้นกำเนิดเสียงของมัน ก็คล้ายกับเครื่องเสียงภายในบ้าน

creates sound waves traveling outward.

สร้างคลื่นเสียงที่เดินทางออกมาเรื่อย ๆ

The speed of the waves depends on factors

ความเร็วคลื่นขึ้นอยู่กับปัจจัยต่าง ๆ

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

รวมถึงระดับความสูงและอุณหภูมิของอากาศ ที่มันเคลื่อนที่ผ่านไป

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

ที่ระดับน้ำทะเล เสียงเคลื่อนที่เร็วประมาณ 1,225 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

But instead of circles on a two-dimensional surface,

แต่แทนที่จะเป็นวงกลมบนพื้นผิวสองมิติ

the wave fronts are now concentric spheres,

ตอนนี้หน้าคลื่นมีศูนย์กลางเป็นทรงกลม

with the sound traveling along rays perpendicular to these waves.

โดยมีเสียงที่เดินทางไปตามแนวรังสี ที่ตั้งฉากกับแนวคลื่นเหล่านี้

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

มาลองคิดถึงแหล่งกำเนิดเสียงที่เคลื่อนที่ อย่างนกหวีดรถไฟดู

As the source keeps moving in a certain direction,

เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงกำลังเคลื่อนที่ ไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง

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

คลื่นด้านหน้าของมันที่มีความต่อเนื่อง จะทำให้คลื่นรวมใกล้กันมากขึ้น

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

คลื่นความถี่ที่สูงขึ้นนี้ ทำให้เกิดปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ที่โด่งดัง

where approaching objects sound higher pitched.

ที่ยิ่งวัตถุนั้นเข้าใกล้มากเท่าไหร่ ก็จะยิ่งมึเสียงแหลมสูงมากขึ้นเท่านั้น

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

แต่ตราบใดที่ต้นเสียงยังเคลื่อนที่ช้ากว่า คลื่นเสียงที่มันสร้างขึ้น

they will remain nested within each other.

พวกมันจะซ้อนยู่ภายในซึ่งกันและกัน

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

แต่เมื่อวัตถุกลายเป็นซุปเปอร์โซนิค ที่เคลื่อนที่ได้เร็วกว่าเสียงที่มันสร้าง

that the picture changes dramatically.

นั่นทำให้เกิดความแตกต่างขึ้นอย่างมาก

As it overtakes sound waves it has emitted,

ในขณะที่มันแซงหน้าคลื่นที่มันได้ปล่อยออกมา

while generating new ones from its current position,

ระหว่างนั้นมันก็สร้างคลื่นขึ้นใหม่ ณ ตำแหน่งที่มันอยู่

the waves are forced together, forming a Mach cone.

คลื่นจะถูกอัดเข้าด้วยกันกลายเป็นกรวยหน้าคลื่นมัค (Mach cone)

No sound is heard as it approaches an observer

ผู้สังเกตุการณ์จะไม่ได้ยินเสียงใด ๆ ในขณะที่มันเข้ามาใกล้

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

เพราะวัตถุเคลื่อนที่เร็วกว่า เสียงที่มันสร้างขึ้นมา

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

หลังจากวัตถุผ่านไป ผู้สังเกตุการณ์ถึงจะได้ยินเสียงโซนิคบูมนี้

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

เมื่อกรวยมัคกระทบกับพื้นดิน มันจะสร้างไฮเพอร์โบลาขึ้นมา

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

ทิ้งหางที่รู้จักกันในชื่อว่าหางพรม (boom carpet) เมื่อมันเคลื่อนที่ไปข้างหน้า

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

นี่จึงทำให้เราสามารถวัดพื้นที่ ที่ได้รับผลกระทบของโซนิคบูมได้

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

แล้วจะหาความแรง ของคลื่นโซนิคบูมได้อย่างไรล่ะ

This involves solving the famous Navier-Stokes equations

มันต้องใช้การแก้ปัญหาสมการนาเวียร์-สโตกส์ ที่มีชื่อเสียง

to find the variation of pressure in the air

เพื่อค้นหาความแปรผันของความกดอากาศ

due to the supersonic aircraft flying through it.

อันเนื่องมาจากการบินผ่าน ของเครื่องบินเหนือเสียง

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

ผลลัพธ์ก็คือคลื่นที่เป็นเอกลักษณ์ ที่เรียกว่า เอ็นเวฟ (N-wave)

What does this shape mean?

รูปร่างนี้มีความหมายว่าอย่างไร

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

โซนิคบูมเกิดขึ้น เมื่อความดันเกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว

and the N-wave involves two booms:

และเอ็นเวฟเกี่ยวข้องกับโซนิคบูมสองครั้ง

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

ส่วนแรกคือความดันแรก ที่เพิ่มขึ้นบริเวณส่วนปลายหัวของเครื่องบิน

and another for when the tail passes,

และอีกส่วนที่หางที่ผ่านเข้ามา

and the pressure suddenly returns to normal.

และความดันก็กลับไปสู่ปกติในทันที

This causes a double boom,

มันจึงทำให้เกิดโซนิคบูมสองครั้ง

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

แต่หูมนุษย์มักจะได้ยินเพียงครั้งเดียวเท่านั้น

In practice, computer models using these principles

ในทางปฎิบัติ ตัวอย่างจำลองในคอมพิวเตอร์ ที่ใช้หลักการเดียวกันนี้

can often predict the location and intensity of sonic booms

สามารถคาดการณ์ตำแหน่ง และความเข้มของโซนิคบูมได้

for given atmospheric conditions and flight trajectories,

ในแต่ละสภาพบรรยากาศและวิถีการบิน

and there is ongoing research to mitigate their effects.

และก็มีการวิจัยที่กำลังศึกษา เพื่อลดผลกระทบผลของมัน

In the meantime, supersonic flight over land remains prohibited.

ระหว่างนี้ เครื่องบินเหนือเสียง ยังคงถูกห้ามบินเหนือผืนดิน

So, are sonic booms a recent creation?

แล้วโซนิคบูมเป็นสิ่งใหม่ ที่เพิ่งถูกสร้างขึ้นใช่ไหม

Not exactly.

ก็ไม่ใช่เสียทีเดียว

While we try to find ways to silence them,

ในขณะที่เรากำลังพยายามหาทาง ทำให้มันเงียบลงอยู่นั้น

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

สัตว์บางชนิดใช้คลื่นเหนือเสียงนี้ ให้เป็นประโยชน์

The gigantic Diplodocus may have been capable of cracking its tail

ไดโนเสาร์ ไดพลอโดคัส อาจสามารถสะบัดหางของมัน

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

ด้วยความเร็วเหนือเสียงที่มากกว่า 1,200 กิโลเมตรต่อขั่วโมงเพื่อไล่นักล่า

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

กุ้งบางชนิดสามารถสร้างสิ่งที่คล้ายกันนี้ อย่างคลื่นกระแทกใต้น้ำ

stunning or even killing pray at a distance

ทำให้เหยื่อหยุดค้างอยู่กับที่ หรือทำให้เหยื่อตายในระยะไกล

with just a snap of their oversized claw.

เพียงแค่ดีดก้ามใหญ่โตของมันเท่านั้น

So while we humans have made great progress

ในขณะที่มนุษย์กำลังพัฒนา สุดยอดความก้าวหน้านี้ขึ้นมา

in our relentless pursuit of speed,

ด้วยการแสวงหาความรวดเร็วอย่างไม่หยุดยั้ง

it turns out that nature was there first.

กลับกลายเป็นว่าธรรมชาติทำได้ก่อนแล้ว