-
دیوار صوتی
درمقاله ها و متونی که به موضوع هوانوردی مربوط می شوند، شاید عبارت «شکستدیوار صوتی» را دیده و مایل به دانستن مطالبی در مورد این زمینه نیزباشید. در این مقاله، تمامی مطالب مربوط به دیوار صوتی و چگونگی شکست آن وموارد مرتبط بررسی و مطالعه خواهند شد.
● هر آنچه که درباره دیوار صوتی می خواهید بدانید
در مقاله ها و متونی که به موضوع هوانوردی مربوط می شوند، شاید عبارت «شکست دیوار صوتی» را دیده و مایل به دانستن مطالبی در مورد این زمینه نیزباشید. در این مقاله، تمامی مطالب مربوط به دیوار صوتی و چگونگی شکست آن وموارد مرتبط بررسی و مطالعه خواهند شد.
در اعصار آغازین دوران هوانوردی ابتدایی، هواپیما ها بیشتر با سرعتهای بسیار پایین نسبت به هواپیما های امروزی پرواز می کردند که حتی بهبیشتر از ۳۰۰ کیلومتردر ساعت نمی رسید؛ در حالی که چنین سرعتی، سرعتمطلوب برای تیک آف یا برخاست یک هواپیمای جنگنده امروزی است و رسیدن بهچنین سرعتی، ابداً مستلزم تلاش بسیار و فشار آوردن بیش از حد به موتور نمیباشد. اما رفته رفته، سرعت هواپیما ها حتی با موتورهای پیستونی به گاهبالای ۶۵۰ کیلومتر بر ساعت رسیده و از آن زمان بود که دانشمندان علومآیرودینامیک دریافتند که در با افزایش سرعت، به تدریج میزان پسا افزایشپیدا کرده و در سرعت معینی، دیگر هواپیما قادر به سرعت گرفتن نبوده گاهنیز استال می شوند.
در آن زمان، علت این موضوع بدین گونه بیان شد که با افزایش سرعت، بهتدریج سرعت گردش انتها یا نوک پره های پروانه ی موتور، به سرعت صوت نزدیکشده و سرانجام در حداکثر سرعت یک هواپیمای پیستونی که حدود ۹۵۰ کیلومتر میباشد، سرعت انتهای پره ها از سرعت صوت گذشته و پسا یا درگ بسیاری ایجاد میشود که خود مانع سرعت گرفتن بیشتر هواپیماست. در چنین سرعت هایی، پروانهموتور هواپیماهای پیستونی، نه تنها تراست یا نیروی کشش تولید نمی کند،بلکه در اثر سرعت بسیار زیاد، تبدیل به یک دیسک یا دایره توپر چرخنده میشود که جز ایجاد درگ و پسا، کار دیگری انجام نمی دهد. آیرودینامیست های آنزمان این حد را یک محدوده سرعت یا همان دیوار صوتی در نظر گرفته و بسیاریاز آنان نیز بر این عقیده بودند که گذشتن از دیوار صوتی و پشت سر گذاشتنآن، کاریست غیر ممکن؛ اما با ورود به عصر جت و پیشرفت علم آیرودینامیک،همه ما شاهد هستیم که این کار برای جنگنده های امروزی کاری بس سهل و آساناست.
حال، پس بررسی تاریخچه آن، بهتر است به اصل موضوع بپردازیم و نخست،ببینیم که خصوصیات صوت و دیوار صوتی چیست و چرا گذر از آن نیازمند قدرت وکشش و توانایی زیادی است. صوت، در شرایط عادی (دما، فشار و ... معمولی) درسطح دریا دارای سرعتی معادل ۳۳۲ متر بر ثانیه یا ۱,۱۹۵ کیلومتر بر ساعت میباشد که این سرعت، با افزایش ارتفاع و کاهش فشار و تراکم هوا، کاهش یافتهو در ارتفاعات بالاتر، صوت فواصل را با سرعت کمتری می پیماید.
این مسئله بدین صورت است که صوت همانطور که می دانیم، از طریق ضرباتملکول های هوا به یکدیگر و انتقال انرژی آن ها فضا را طی می کند و هرچهتعداد مولکول ها در یک حجم معین بیشتر باشند، انتقال انرژی زودتر صورتپذیرفته و صوت با سرعت بیشتری انتقال می یابد؛ چنانکه سرعت صوت در مایعاتبیشتر از هوا و در جامدات بسیار بیشتر از مایعات و هوا و معادل ۶۰۰۰کیلومتر بر ساعت است. پس در نتیجه افزایش ارتفاع، تعداد ملکول ها در یکحجم معین کاهش یافته و صوت با سرعت کمتری فضا را می پیماید. دیوار صوتی،شیئی فیزیکی و قابل روئیت نیست؛ بلکه، به دلیل اینکه گذشتن از سرعت صوتنیازمند توان بسیار بالای موتور و آیرودینامیک بسیار خوب می باشد، این حدرا یک مانع برای رسیدن به سرعت های بالاتر دانسته و از آن به نام دیوارصوتی یاد می کنند. عدد ماخ، در حقیقت همان نسبت سرعت شی پرنده یا همانهواپیما به سرعت صوت محیط است که به احترام دانشمندی آلمانی که برای اولینبار چنین مقیاسی را در نظر گرفت، آن را «ماخ» نام نهادند. پس عدد ماخ،کمیتی متغیر است و بسته به خصوصیات هوا مانند دما و فشار، تغییر کرده وکاهش یا افزایش می یابد.
اما حال که با عدد ماخ آشنا شدیم، به مهمترین و اصلی ترین عامل ایجاددیوار صوتی یعنی همان «امواج ضربه ای یا Shockwaves» پرداخته و دلیل ایجاددرگ و پسای زیاد را در سرعت های نزدیک سرعت صوت، بررسی خواهیم کرد. امواجضربه ای یا شاک ویو ها، در حقیقت همان عامل اصلی ایجاد دیوار صوتی هستند. امواج ضربه ای، تغییری ناگهانی در فشار و دمای یک لایه از هواست که میتواند به لایه های دیگر منتقل شده و به صورت یک موج فضا را بپیماید.
برای درک بهتر مطلب، وقتی که سنگی در آب انداخته می شود، موج های درآب به وجود می آیند که به سمت خارج در حال حرکتند. این امواج، نتیجهافزایش سرعت یا اعمال نیرو به لایه ای از ملکول های آب است که قادر بهانتقال به لایه های دیگر نیز می باشد، و امواج ضربه ای نیز، همان امواجدرون آب هستند، با این تفاوت که آن ها در سیالی دیگر به جای آب به نامهوا، تشکیل می شوند. در سرعت های نزدیک سرعت صوت، فرضیه غیر قابل تراکمبودن هوا رد شده و ضریب تراکم هوا به ۱۶% در می رسد، که مقداری غیر قابلچشم پوشی است. در این سرعت ها هوای جلوی بال یا لبه حمله به شدت متراکمگشته و دما و فشار آن به طرز قابل توجهی افزایش می یابد، همین مسئله، یکیاز عوامل ایجاد امواج ضربه ای است. هواپیما با حرکت خود در هوا، نظم فشارهوای محیط را بر هم می زند و همانند قایقی که در آب در حال حرکت است،امواجی از آن ساطع شده و به دلیل اینکه این امواج با سرعت صوت حرکت میکنند و هواپیما زیر سرعت صوت در حال سیر است، از آن دور می شوند. اما کمکم، با نزدیک شدن به سرعت های ترانسونیک و حدود سرعت صوت، این امواج فرصتدور شدن از هواپیما را نداشته و در جلوی بال متراکم می شوند. در مناطقی ازبدنه هواپیما که سطوح ناموزونی نسبت به جهت حرکت هواپیما دارد، سرعت گذرهوا افزایش یافته و بر اساس اصل برنولی، با افزایش سرعت سیال، فشار آنکاهش می یابد.
در چنین سرعت هایی، هوای اطراف این سطوح به سرعت صوت می رسد، گرچههواپیما هنوز به سرعت صوت نرسیده باشد. در نتیجه رسیدن بعضی سطوح به سرعتصوت، امواج ضربه ای تولید شده و درگ یا پسای فراوانی را قبل از رسیدن بهسرعت صوت تولید می کنند، که همین مسئله گذر از دیوار صوتی را مشکل مینماید. به سرعتی که در آن حداقل یکی از سطوح هواپیما به سرعت صوت رسیدهباشد، گرچه این پدیده در مورد خود هواپیما صادق نباشد، عدد ماخ بحرانی یا Critical Mach Number می گویند. عدد ماخ بحرانی را می توان به سرعتی کهنمودار پسا در مقابل سرعت سیر صعودی می گیرد، نیز تعریف نمود. در اینسرعت، فرامین هواپیما کم کم شروع به درست جواب ندادن کرده و حالتی شبیه بهکوبیدن بر روی بال توسط امواج ضربه ای به وجود می آید که با گذر از دیوارصوتی، فرامین هواپیما به حالت طبیعی خود باز می گردند.
بنابراین، در سرعتی که هواپیما به عدد ماخ بحرانی خویش می رسد، پسابه دلیل ایجاد امواج ضربه ای به طور قابل توجهی افزایش می یابد، پس، بایدتلاش بر آن باشد تا عدد ماخ بحرانی هر چه بیشتر با بهبود ویژگی هایآیرودینامیکی افزایش یابد، چون اگر این اتفاق در سرعت های پایین تر رخدهد، هواپیما نیز باید از سرعت پایین تری جدال با افزایش پسا را شروع کند. حال ببینیم که چرا با تولید امواج ضربه ای، پسا افزایش می یابد. قانونی درمبحث دیوار صوتی بیان می کند که هر جریان هوایی که از یک موج ضربه ایبگذرد، موج ضربه ای انرژی کنتیکی یا جنشی سرعتی آن را گرفته و در خورتبدیل به گرما و افزایش فشار می کند، در نیتجه سرعت جریان هوای گذرنده ازموج ضربه ای به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. با کاهش سرعت جریان هوا درجلوی بال ها در سرعت های نزدیک سرعت صوت، تلاش پیشرانه یا موتورهایهواپیما باید چند برابر شود تا اثر کاهش سرعت در اثر موج ضربه ای را خنثینماید. در صورتی که عدد ماخ بحرانی هواپیمایی پایین باشد، در سرعت هایپایین باید نیروی رانشی هواپیما چند برابر شود که مصرف سوخت فوق العاده ایرا برای گذر از دیوار صوتی به دنبال خواهد داشت؛ اما، در صورت بالا بودنعدد ماخ بحرانی، هواپیما فقط مدت کوتاهی نیازمند قدرت و کشش بسیار زیادبرای شکستن دیوار صوتی می باشد.
با اعمال نیروی فراوان رانشی، سرانجام هواپیما بر مشکل پسای زیادفائق آمده و از دیوار صوتی می گذرد. در نتیجه این عمل، امواج تولید شدهتوسط هواپیما از آن جا مانده و پشت سر هواپیما حرکت می کنند. در این حالت،وضعیت به حالت عادی بازگشته و پسای ایجاد شده به وضعیت نرمال باز می گردد. بعضی از هواپیما ها از تمام نیروی پس سوزشان یا ۱۰۰% قدرت موتور برای گذراز دیوار صوتی و یا سرعت ۱,۱۹۵ کیلومتر بر ساعت استفاده می کنند، در حالیکه در سرعت های بسیار بالاتر، تنها از ۳۰% قدرت موتور برای رانش به جلوبهره می جویند. با دقت در این مثال، می توان به خوبی افزایش درگ و پسا وقدرت فروان لازم برای غلبه بر آن در سرعت های نزدیک به سرعت صوت را درک وتجزیه و تحلیل نمود. امواج ضربه ای توسط هواپیما در سرعت صوت، بسیارقدرتمند می باشند، چنانکه در صورت پرواز هواپیما نزدیک به زمین و گذر آناز دیوار صوتی، امواج ضربه ای با منتهای قدرت به اجسام زمینی مانند شیشههای منازل و ساختمانها برخورد نموده و باعث شکستن آن ها می شود، یا حتیاگر شخصی در معرض امواج ضربه ای به طور مستقیم قرار گیرد، احتمال از دستدادن شنوایی و پاره شدن پرده گوش بسیار است. از امواج ضربه ای، در بمب هاو تسلیحات دیگر نیز استفاده می شود.
بمب ها با یک افزایش دما و فشار ناگهانی در لایه هایی از هوا، امواجضربه ای به وجود آورده که از طریق هوا انتقال یافته و باعث شکستن شیشه هاو تخریب دیوار ها نیز می شود. اگر شخصی در فاصله ای نسبتاً نزدیک در فضاییتهی از هوا و خلاء، حتی نزدیک یک بمب ده تنی ایستاده باشد، بر فرض منفجرکردن بمب، آسیبی به وی نخواهد رسید، چون هوایی برای انتقال امواج ضربه ایوجود ندارد.
به دلیل تولید امواج ضربه ای در سرعت های حدود سرعت صوت، خلبانان سعیمی کنند فقط مدت کوتاهی در چنین سرعت هایی ترانسونیک پرواز کرده و به زودیاز دیوار صوتی گذر کنند، چون پرواز در این سرعت ها نیروی بسیار زیاد موتوردر نیتجه افزایش فوق العاده میزان مصرف سوخت را در پی دارد. اما حالببینیم صدایی انفجار مانند که در هنگام شکستن دیوار صوتی تولید می شودنتیجه چیست. امواج حاصله از حرکت هواپیمایا صدای تولید شده در اثر حرکت،هر بار در سرعت های زیر سرعت صوت از هواپیما دور شده و به گوش شنونده میرسد. اما با رسیدن هواپیما به سرعت صوت، این صداها دیگر فرصت دور شدن ازهواپیما را نداشته و کلاً در جلوی هواپیما جمع می شوند.
با گذر از سرعت صوت، صدایی چند ده برابر شده از حرکت هواپیما با همبه گوش شنونده می رسد که مانند یک انفجار شدید یا صدای رعد و برقی بسیارقدرتمند می باشد. شاید در تصاویر هواپیماهای در حال گذر از دیوار صوتی،هاله ای سفید رنگ را در اطراف هواپیما مشاهده کرده باشید. در هنگام گذر ازدیوار صوتی، اگر هواپیما نزدیک به زمین و در محیطی مرطوب با درصد بخار آبزیاد باشد، بخار آب هوا در اثر امواج ضربه ای فشرده شده و ابر سفیدی رابرای چند ثانیه پدید می آورند که همان هاله سفید رنگ قابل روئیت در تصاویراست. اما از امواج ضربه ای در موتورهای جت نیز استفاده می شود. بدین گونهکه، هوا ورودی در موتورهای جت، حتی اگر هواپیما با سرعت های بالای صوتپروزا نماید، باید زیر سرعت صوت باشد تا قابلیت احتراق را در موتور داشتهباشد.
بنابراین، اکثراً در ورودی موتورهای هواپیماهای جنگنده مخروطی را بهشکل کامل یا نصف مانند هواپیماهای میگ ۲۱ یا اف ۱۰۴ ستارفایتر می بینیم،که فلسفه ایجاد این مخروط تولید عمدی امواج ضربه ای است. در صورت تولیدامواج ضربه ای، هوای عبوری از میان آن با سرعت کاهش یافته یا زیر صوت واردموتور می شود و فرآیند احتراق به طور کامل انجام می پذیرد. برای انجامپرواز های مافوق صوت، اغلب هواپیماهای جنگنده از مقطع بال های ویژه ای کهعدد ماخ بحرانی را به حداکثر می رسانند، استفاده می نمایند و مقطع بال هامعمولاً بسیار نازک و متقارن می باشد. به عقب برگشتگی بال های هواپیماهایمدرن نیز در نتیجه تلاش برای افزایش عدد ماخ بحرانی بوده چرا که آزمایشهای تونل باد نشان داده که با به عقب برگشتگی بال ها به میزان چند درجهعدد ماخ بحرانی به میزان قابل توجهی افزایش می یابد، تا جایی کههواپیماهای مسافربری سریع السیر مانند بوئینگ ۷۴۷ که در حدود سرعت صوت یاحدود ۹۸۰ کیلومتر بر ساعت پرواز می کنند، نیز به بال هایی به عقب برگشتهمجهزند. در برخی از هواپیماها، مانند هواپیمای اف ۱۴ تامکت، از سیستم بالهای متغیر استفاده شده که در این سیستم، در سرعت های پایین که از عدد ماخبحرانی خبری نیست بال ها گسترده می شوند و برای فراوانی تولید می کنند،ولی رفته رفته با نزدیک شدن به سرعت صوت، کامپیوتر موجود در این سیستم خودزاویه لازم برای افزایش عدد ماخ بحرانی را محاسبه کرده و بال را متناسب بازوایه آن تغییر داده و به عقب بر می گرداند. این سیستم به دلیل هزینه هایبالا و سنگینی بیش از حد آن، دارای استفاده محدودی می باشد. هواپیماهاکلاً از نظر سرعت نسبت به سرعت صوت به چند دسته زیر تقسیم می شوند:
▪ هواپیماهای زیر سرعت صوت یا مادون صوت با محدوده سرعت ۳۵۰ تا ۹۵۰ کیلومتر بر ساعت، Subsonic
▪ هواپیماهای حدود سرعت صوت با محدوده سرعت ۹۵۰ تا ۱۲۰۰ کیلومتر بر ساعت، Transonic
▪ هواپیماهای سرعت صوت با محدوده سرعت دقیقاً سرعت صوت نسبت به محیط، Sonic
▪ هواپیماهای بالای سرعت صوت یا مافوق سرعت صوت با محدوده سرعت ۱ ماخ تا ۵ ماخ، Supersonic
▪ هواپیماهای با سرعت بسیار بیشتر از سرعت صوت با محدوده سرعت ۵ ماخ و بالاتر، Hypersonic
لازم به ذکر است، اولین بار، خلبانی آزمایشی آمریکایی به نام چاکییگر، با انجام اصلاحاتی بر روی یک بمب افکن قدیمی آن را به چهار موتورموشکی مجهز کرده و بر فراز بیایانی در آمریکا، پس از جدا شدن از هواپیمایمادر، به پرواز در آورد. پس چند ثانیه پرواز هواپیمای پرتقالی رنگ ملقب به X-۱ به صورت گلاید، خلبان چهار موتور موشکی خود را روشن کرده و پس از چندلحظه صدایی رعد آسا در آسمان شنیده شد که همان نتیجه شکستن دیوار صوتیبرای اولین بار در جهان بود. در این آزمایش، این هواپیما به سرعت ۱۶/۱ ماخدست یافت، و با ورود به عصر جت، رویای شکستن دیوار صوتی و پا گذاشتن بهسرعت صوت نیز به واقعیتی بسیار قابل لمس مبدل گشت.
-
ممنون غزل جان
منم گفتم یه مقاله در همین مورد بذارم:
نقل قول:
کد:
http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%d8%b4%da%a9%d8%b3%d8%aa+%d8%af%db%8c%d9%88%d8%a7%d8%b1+%d8%b5%d9%88%d8%aa%db%8c&SSOReturnPage=Check&Rand=0
-
-
دیوار صوتی چیست؟
دانش - همشهری آنلاین:
راستش را بخواهید بر خلاف برداشتی که از کلمه "دیوار صوتی" میشود، اصلا دیواری در کار نیست که بشود آن را دید.
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
بر خلاف آنچه ممکن است در این عکس که مربوط به لحظه "شکستن دیوار صوتی" بوسیله یک هواپیمای جت است به نظر برسد، منظور از "دیوار صوتی" سرعت سیر امواج صوتی بسته به محیطی که در آن حرکت میکنند است، نه پرده‌ای واقعی که دماغه هواپیمای جت آن را سوراخ کند.
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
اما پدیده‌ای بصری که در این تصویر می‌بینید به علت قطرات آبی است که درمیان دو سطح پرفشار هوا به دام می‌افتند.در شرایط آب و هوایی مرطوب بخار آب میتواند بین دو ستیغ امواج صوتی ایجاد بوسیله هواپیمای جت تجمع یابند.
این اثر لزوما با شکستن دیوار صوتی هم‌زمان نیست، اما ممکن است همراه آن هم رخ دهد.
شکستن دیوار صوتی برای اولین بار در تاریخ هوانوردی در 14 اکتبر 1947 بوسیله سرهنگ چارلز ییگر با یک هواپیمای پژوهشی به نام Bell XS-1 که برای سرعتهای مافوق صوت طراحی شده بود، در امریکا انجام شد.
امروزه هواپیماهای بدون سرنشین بوسیله ناسا با سرعت 10 برابر سرعت صوت (10 ماخ) به پرواز درآمده‌اند.
کلمه ماخ از نام ارنست ماخ فیزیکدان اتریشی گرفته شده است که در سال 1887 اصول حرکت مافوق‌صوت را تبیین کرد. "عدد ماخ" نسبت سرعت یک شی‌ئ به سرعت صوت در محیط محلی است.
صوت امواج ناشی از ارتعاش جو است و بنابراین سرعت آن به درجه حرارت و فشار هوا بستگی دارد.
صوت در سطح دریا در حرارت 15 درجه سانتی‌گراد با سرعت 1223 کیلومتر در ساعت حرکت می‌کند.
پرواز کردن هواپیما با سرعتی بیش از این صدایی گوش‌خراش ایجاد می‌کند.
هنگامی که هواپیما با سرعت تحت‌صوت (کمتر از یک ماخ) پرواز می‌کند ارتعاشات در فشار هوا ( یا همان امواج صوتی) عموما در همه جهات پخش می‌شوند.
اما هنگام به اصطلاح شکستن دیوار صوتی (یا افزایش سرعت هواپیما به بالای سرعت صوت) میدان فشارهوای اطراف هواپیما از عقب هواپیما به صورت یک "مخروط ماخ" – یک موج ضربه‌ای که یک "غرش صوتی" را بوجود می‌آورد- گسترش می‌یابد
منبع :
کد:
http://www.hamshahrionline.ir/News/?id=19415
.
-
چون قبلا تاپیکی با همین عنوان بوده مقالتون منتقل می شه به همون جا تا از پراکندگی جلوگیری بشه ...
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
موفق بشاید ...
