دانستنی های فیزیک

مافوق سرعت صوت (به انگلیسی: Supersonic) به سرعتی گفته می‌شود که از سرعت صوت (64 متر بر ثانیه) بیشتر باشد. واحد سرعت مافوق صوت «ماخ» است و به تعداد ضریب سرعت می‌گویند مثلا صدا یک ماخ سرعت دارد.

خصوصیات صوت و دیوار صوتی چیست و چرا گذر از آن نیازمند قدرت و کشش و توانایی زیادی است. صوت ، در شرایط عادی (دما ، فشار و … معمولی) در سطح دریا دارای سرعتی معادل 340 متر بر ثانیه است که این سرعت ، با افزایش ارتفاع و کاهش فشار و تراکم هوا ، کاهش یافته و در ارتفاعات بالاتر ، صوت فواصل را با سرعت کمتری می‌پیماید. این مسئله بدین صورت است که صوت از طریق ضربات ملکولهای هوا به یکدیگر و انتقال انرژی آنها فضا را طی می‌کند و هر چه تعداد مولکولها در یک حجم معین بیشتر باشند، انتقال انرژی زودتر صورت پذیرفته و صوت با سرعت بیشتری انتقال می‌یابد؛ چنانکه سرعت صوت در مایعات بیشتر از هوا و در جامدات بسیار بیشتر از مایعات و هوا و معادل 6000 کیلومتر بر ساعت است.

پس در نتیجه افزایش ارتفاع ، تعداد ملکولها در یک حجم معین کاهش یافته و صوت با سرعت کمتری فضا را می‌پیماید. دیوار صوتی ، شیئی فیزیکی و قابل روئیت نیست؛ بلکه به دلیل اینکه گذشتن از سرعت صوت نیازمند توان بسیار بالای موتور و آیرودینامیک بسیار خوب می‌باشد، این حد را یک مانع برای رسیدن به سرعتهای بالاتر دانسته و از آن به نام دیوار صوتی یاد می‌کنند. عدد ماخ ، در حقیقت همان نسبت سرعت شیء پرنده یا همان هواپیما به سرعت صوت محیط است که به احترام دانشمندی آلمانی که برای اولین بار 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 و کاهش یا افزایش می‌یابد.

امواج شوک (Shockwaves) در حقیقت همان عامل اصلی ایجاد دیوار صوتی هستند. امواج ضربه‌ای ، تغییری ناگهانی در فشار و دمای یک لایه از هواست که می‌تواند به لایه‌های دیگر منتقل شده و به صورت یک موج فضا را بپیماید. برای درک بهتر مطلب ، وقتی که سنگی در آب انداخته می‌شود، موجهایی در آب بوجود می‌آیند که به سمت خارج در حال حرکتند. این امواج ، نتیجه افزایش سرعت یا اعمال نیرو به لایه‌ای از ملکولهای آب است که قادر به انتقال به لایه‌های دیگر نیز می‌باشد، و امواج ضربه‌ای نیز ، همان امواج درون آب هستند، با این تفاوت که آنها در سیالی دیگر به جای آب به نام هوا، تشکیل می‌شوند.

به سرعتی که در آن حداقل یکی از سطوح هواپیما به سرعت صوت رسیده باشد، گر چه این پدیده در مورد خود هواپیما صادق نباشد، عدد ماخ بحرانی (Critical Mach Number) می‌گویند. عدد ماخ بحرانی را می‌توان به سرعتی که نمودار پسا در مقابل سرعت سیر صعودی می‌گیرد، نیز تعریف نمود. در این سرعت ، فرامین هواپیما کم کم شروع به درست جواب ندادن کرده و حالتی شبیه به کوبیدن بر روی بال توسط امواج ضربه‌ای بوجود می‌آید که با گذر از دیوار صوتی ، فرامین هواپیما به حالت طبیعی خود باز می‌گردند.

عدد ماخ طبق تعریف، نسبت سرعت شیئ در یک سیال به سرعت صوت در همان سیال است. عدد ماخ یک پارامتر بی‌بعد و بدون یکا است که در آیرودینامیک جریان‌های تراکم پذیر دارای اهمیت زیادی است. تعریف ریاضی عدد ماخ که با M نشان داده می‌شود، به صورت زیر است: 



که

• v سرعت جریان گاز؛ و
• a سرعت صوت در محیط است.

عدد ماخ از نام ارنست ماخ ، فیلسوف و فیزیکدان چک – اتریشی تبار گرفته شده است.عدد ماخ بیشتر به عنوان یک کمیت بدون اندازه شناخته می‌شود تا یک واحد اندازه گیری ، به این خاطر عدد در هنگام همراه بودن با کلمه? ماخ ، بعد از آن قرار می گیرد.برای نوشتن دو ماخ به جای 2ماخ (2 mach) ، شکل ماخ 2 (mach2) بکار برده می شود.این کلمه تا اندازه ای یادآور واحد قدیمی عمق سنجی مدرن اقیانوس مارک مترادف قولاج است که زودتر از ماخ بوجود آمده و احتمالا بر استفاده از واژه? ماخ تاثیر گذارده است.یک دهه قبل از انکه انسان سریعتر از صوت پرواز کند، مهندسان هوانوردی برای اشاره به سرعت صوت از کلمه? عدد ماخ استفاده می کردند ، نه ماخ.


نگاه کلی عدد ماخ هم برای اجسام پرسرعت در حال حرکت در یک سیال و هم برای جریانات سیال پرسرعت در کانال هایی مانند nozzles، diffusers یا تونل‌های باد مورد استفاده قرار می گیرد.از آنجایی که این عدد نسبتی از دو سرعت است ، یک عدد بدون اندازه محسوب می شود.در دمای 15 درجه? سلسیوس ، سرعت صوت در جو زمین برابر است ( 761.2mph, 340.3m/s).سرعتی که بوسیله? عدد ماخ نشان داده می‌شود یک عدد ثابت نیست.برای مثال این سرعت به دما و ترکیب جوی بستگی دارد.صرفنظر از ارتفاع ، این سرعت در استراتسفر هوا کره ثابت باقی می ماند ، اگرچه فشار هوا با تغییر ارتفاع تغییر می کند.


از آنجایی که سرعت صوت همواره با افزایش دما ، افزایش پیدا می‌کند ، سرعت واقعی یک شی که با سرعت یک ماخ حرکت می‌کند به دمای ماده? سیال اطراف آن بستگی خواهد داشت.عدد ماخ به این دلیل مفید است که ماده? سیال در یک عدد ماخ مشابه ، به شکل مشابهی رفتار می کند.بنابراین هواپیمایی که با سرعت یک ماخ بر سطح دریا پرواز می‌کند ، موج شوک را به همان شکل دریافت می‌کند که اگر با سرعت یک ماخ در ارتفاع 11000 متری پرواز می کرد ، دریافت می کرد ، اگرچه که با سرعت (295m/s,654.6mph )سرعت اش بر سطح دریا ) پرواز می کند.


جریان پرسرعت در اطراف اشیاء پرواز را می توان بطور غیردقیق در 5 دسته طبقه بندی کرد:

- زیرصوت (Subsonic) :

M < Mcri


- نزدیک صوت (Transonic) :

Mcrit < 1 (e.g.: 0.8 < M < 1


- صوت (Sonic)

M = 1

- بالای صوت (1 < M < 5 : (Supersonic


- مافوق صوت (M > 5 : (Hypersonic


برای مقایسه: سرعت مورد نیاز برای مدار پایین زمین در هوا و ارتفاع بالا تقریبا km/s5/7=4/25 Mاست.سرعت نور در خلاء تقریبا برابر است با 88000 ماخ.

در سرعت بالای صوت ، میدان جریان اطراف شی ، هم شامل بخش‌های پایین صوت و هم بالای صوت می شود.محدوده? زمانی بالای صوت زمانی آغاز می‌شود که اولین نواحی جریان M>1 در اطراف شی پدیدار می شوند.در صورت وجود یک ایرفویل (مثلا یک بال هواپیما) این اتفاق معمولاً در بالای بال اتفاق می افتد.جریان بالای صوت فقط در یک شوک معمولی می تواند به زیر صوت کاهش پیدا کند ، این اتفاق معمولاً قبل از رسیدن به لبه? پشتی رخ می دهد.(شکل a1) همزمان با افزایش سرعت ، نواحی جریان M>1 بر روی لبه? پشتی و جلویی نیز افزایش می یابد.وقتی سرعت به M=1 برسد و از آن بگذرد ، شک معمولی به لبه? پشتی می رسد و به یک شک ضعیف و غیرمستقیم تبدیل می شود.جریان بعد از شک کاهش پیدا می‌کند اما همچنان در محدوده? بالای صوت باقی می ماند.یک شک معمولی در جلوی شی بوجود می آید و ، تنها ناحیه? زیرصوت در میدان جریان ، یک محدوده? کوچک در اطراف لبه? پشتی شی است.(شکل b1)

 

1-عدد ماخ در جریان هوای بالای صوت در اطراف یک ایرفویل، M<1 (a) و M>1 (b).

زمانی که یک هواپیما به سرعت یک ماخ می رسد ، یک تفاوت فشار بزرگ درست در مقابل هواپیما ایجاد می شود.این تفاوت فشار ناگهانی موج شوک نامیده می‌شود که به سمت عقب و به بیرون از هواپیما پخش می‌شود و شکلی شبیه یک مخروط دارد (مخروط ماخ).این موج شوک باعث ایجاد انفجار صوتی ای می‌شود که هنگام عبور یک هواپیما با سرعت زیاد از بالای سر یک شخص شنیده می شود.شخص درون هواپیما این صدا را نخواهد شنید.هرچه سرعت بیشتر باشد مخروط هم باریکتر خواهد بود و بعد از رسیدن به M=1 دیگر کمتر شبیه یک مخروط است ، بلکه بیشتر شبیه یک صفحه? تقریبا مقعر است.

در سرعت کاملا بالای صوت ، موج شوک شروع به تشکیل شکل مخروطی خود می‌کند و جریان هم کاملا بالای صوت است ، یا (در صورت بدون نوک بودن شی) فقط یک محدوده? جریان زیرصوت خیلی کوچک بین دماغه? شی و موج شوک که در مقابل ایجاد می‌کند ، باقی می ماند (در صورت نوک تیز بودن شی ، هیچ هوایی بین دماغه و موج شوک وجود ندارد ، موج شوک از خود دماغه شروع می شود).

هم زمان با افزایش عدد ماخ ، قدرت موج شوک نیز افزایش پیدا می‌کند و مخروط ماخ هم به طور فزاینده ای باریک می شود.با عبور جریان سیال از موج ، سرعت آن کاهش پیدا می‌کند و دما ، فشار و چگالی افزایش می یابد.هرچه شوک قوی تر باشد ، تغییرات هم بزرگتر خواهد بود.در عدد ماخ بسیار بالا پس از شوک دما آن قدر افزایش پیدا می‌کند که تجزیه یونی و تفکیک مولکول‌های گاز در پشت موج شوک شروع میشود.چنین جریان هایی مافوق صوت نامیده می شوند.

واضح است که هر شئی که با سرعت مافوق صوت حرکت می‌کند نیز در معرض همان دمای شدیدی قرار می گیرد که گازهای پشت موج شوک دماغه در معرض آن قرار می گیرند ، و از این رو انتخاب مواد مقاوم در برابر گرما اهمیت می یابد.




جریان پرسرعت در یک کانال

زمانی که یک جریان در یک کانال ازM=1 عبور کند ، بالای صوت می‌شود ، یک تغییر بزرگ هم رخ می دهد.به طور معمول انسان توقع دارد که با منقبض کردن کانال سرعت جریان افزایش پیدا کند.در سرعت زیر صوت این موضوع صحت دارد ، اما زمانی که جریان بالای صوت شود ، رابطه? محدوده? جریان و سرعت برعکس می شود.در واقع بسط دادن تونل سرعت را افزایش می دهد.نتیجه? کلی این است که برای رساندن یک جریان به سرعت بالای صوت یک nozzle همگرا – واگرا لازم است ف که در آن بخش همگرا سرعت جریان را به سرعت صوت، M=1، برساند و بخش واگرا این افزایش سرعت را ادامه دهد.چنین nozzle هایی را de Laval nozzles می نامند و در شرایط خاص انها قادر به دست یافتن به سرعت‌های مافوق صوت باورنکردنی ای هستند (13ماخ در سطح دریا).

ماخ متر یا سیستم الکترونیکی اطلاعات پرواز(EFIS) یک هواپیما می تواند عدد ماخ مشتق شده از فشار ایستایی و فشار ساکن را نشان دهد.

امواج ضربه‌ای توسط هواپیما در سرعت صوت ، بسیار قدرتمند می‌باشند، چنانکه در صورت پرواز هواپیما نزدیک به زمین و گذر آن از دیوار صوتی ، امواج ضربه‌ای با منتهای قدرت به اجسام زمینی مانند شیشه‌های منازل و ساختمانها برخورد نموده و باعث شکستن آنها می‌شود، یا حتی اگر شخصی در معرض امواج ضربه‌ای بطور مستقیم قرار گیرد، احتمال از دست دادن شنوایی و پاره شدن پرده گوش بسیار است.

از امواج ضربه‌ای ، در بمبها و تسلیحات دیگر نیز استفاده می‌شود. بمبها با یک افزایش دما و فشار ناگهانی در لایه‌هایی از هوا ، امواج ضربه‌ای بوجود آورده که از طریق هوا انتقال یافته و باعث شکستن شیشه‌ها و تخریب دیوارها نیز می‌شود. اگر شخصی در فاصله‌ای نسبتاً نزدیک در فضایی تهی از هوا و خلاء ، حتی نزدیک یک بمب ده تنی ایستاده باشد، بر فرض منفجر کردن بمب ، آسیبی به وی نخواهد رسید، چون هوایی برای انتقال امواج ضربه‌ای وجود ندارد.

به دلیل تولید امواج ضربه‌ای در سرعتهای حدود سرعت صوت ، خلبانان سعی می‌کنند فقط مدت کوتاهی در چنین سرعتهایی تراسونیک پرواز کرده و به زودی از دیوار صوتی گذر کنند، چون پرواز در این سرعتها نیروی بسیار زیاد موتور در نیتجه افزایش فوق العاده میزان مصرف سوخت را در پی دارد.