W dzisiejszym odcinku......właściwie szpre... Czy tak właśnie brzmiałby mój głos, gdybym minął Was z dwukrotną prędkością dźwięku? Czym dokładnie jest Sonic Boom? Dlaczego fala uderzeniowa jest szybsza od dźwięku?
I co się dzieje przy naddźwiękowej erupcji wulkanu? O tym m.in. w dzisiejszym filmie.
O efekcie Dopplera słyszał prawdopodobnie każdy. Jest to ta cecha rzeczywistości, która pokazuje, że jeśli jakiś obiekt znajduje się w ruchu i generuje fale, np. dźwiękowe, to prędkość tych fal... fal jest niezależna od prędkości obiektu. W konsekwencji obiekt może doganiać swoje własne fale dźwiękowe lub im uciekać.
A ponieważ cały czas generuje nowe fale, to odległości pomiędzy poszczególnymi czołami fal ulegają wydłużeniu lub skróceniu, co ludzkie ucho odbiera jako zmiany tonacji dźwięku. Sprawdźmy, czy Doppler miał rację za pomocą wysublimowanego urządzenia elektronicznego. Więc to jest moje urządzenie do badania zjawiskie Dopplera. Proszę bardzo. To jest po prostu zestaw baterii, głośniczek, brzęczyk elektryczny i włącznik.
Wygląda dosyć dziwnie, bo na początku planowałem po prostu użyć roweru, przymocować głośnik do kierownicy i poruszać się w kierunku kamery, ale zmieniłem zdanie, bo rower nie osiągnie jakiejś tam zadowolonej prędkości, przynajmniej nie mój. Poza tym sam będzie generował też jakiś poziom dźwięku. Dlatego postanowiłem, że po prostu wzmocnię to urządzenie i będę nim po prostu ordynarnie rzucał w kierunku kamery.
Taki brzęczyk można też zawiązać na sznurku i obracać nim w ten sposób i też będziemy mieli naprzemienne zbliżanie się i oddalanie. Okej, to było dość typowe i oczywiste. Rzeczy nietypowe i nieoczywiste zaczynają się dziać w momencie, w którym obiekt zaczyna doganiać swoje własne fale dźwiękowe. zrównywać się z nimi i je wyprzedzać. Spójrzmy na uproszczoną symulację.
Odrzutowiec leci powoli. To jest pierwsza fala, którą wygenerował, to jest druga, trzecia i tak dalej. Do obserwatora docierają w takiej właśnie kolejności. Czoła fal po tej stronie są bliżej niż po tej stronie.
Matematycznie wygląda to tak. Z tej strony dla prędkości półmacha otrzymamy dwukrotny wzrost częstotliwości odebranej względem wysłanej. Teraz powiedzmy, że zamiast odrzutowca leci głośnik grający jakiś utwór.
I powiedzmy też, dla dobra tej prezentacji, że będziemy w stanie wyraźnie go usłyszeć. Obserwator usłyszy ten właśnie utwór, gdy tylko dotrą do niego pierwsze czoła fal. Tu będzie początek utworu, tu jego ciąg dalszy, a potem...
Powiedzmy tutaj koniec. No to mała modyfikacja. Przyśpieszmy nasz głośnik do dwukrotnej prędkości dźwięku.
Będzie się więc poruszał dwa razy szybciej niż dźwięk, który sam wytwarza. Gdy wpiszemy te dane do wzoru Dopplera, wychodzi nam coś dziwnego. Dla obserwatora, do którego zbliża się ten głośnik, częstotliwość odebrana przyjmuje wartość ujemną i staje się odwrotnością wysłanej.
Mówimy więc, że dla tej prędkości nie stosujemy już wzoru Dopplera. Zobaczmy jednak, co się dzieje w rzeczywistości. Obserwujcie kolejność fal, to jest pierwsza, czyli początek utworu, druga, trzecia i czwarta, czyli koniec utworu. Oczywiście symbolicznie. Jak widać fale dotrą do obserwatora w odwrotnej kolejności.
Najpierw te wygenerowane na końcu podróży, a później te wygenerowane wcześniej. Na samym końcu dotrze do obserwatora sam początek utworu. Piosenka zostanie usłyszana od tyłu, mimo że głośnik wyemitował ją normalnie.
W tym myślowym ekspresie. W tym eksperymencie jest jednak pewien haczyk. Głośnik sekundę temu był 680 metrów stąd. Dwie sekundy temu był już ponad kilometr stąd.
I z tamtych odległości dochodzi muzyka, której zwyczajnie nie będziemy w stanie usłyszeć w całości. Weźmy teraz przykład dwóch ludzi siedzących naprzeciw siebie na dachu samolotu naddźwiękowego. I ponownie dla dobra tej prezentacji przymykamy oko na realizm tej sytuacji.
Obaj poruszają się dwa razy szybciej niż dźwięk, zatem głos generowany jest. przez zielonego, porusza się względem nich wstecz i tworzy tak zwany stożek Macha. Fale dźwiękowe są kuliste. Stożek Macha to wspólna powierzchnia czuł fali wszystkich kolejnych fal w tym układzie.
Dlaczego dźwięk porusza się wstecz? Dlatego, że ośrodek względem nich porusza się wstecz. A ponieważ porusza się wstecz, to dźwięk porusza się wstecz. A ponieważ dźwięk porusza się wstecz, się dwa razy szybciej niż dźwięk, to każde lokalne zaburzenie ciśnienia wywołane pojedynczym drgnięciem struny głosowej ucieka do tyłu szybciej niż sama prędkość propagacji tego zaburzenia. To trochę tak jak plucie przez otwarte okno w bardzo szybko jednym...
Nie da się tego zrobić w kierunku jazdy. Ślina poleci do tyłu. Tyle, że na jej drodze stanie nasza twarz. Głos zielonego jest słyszalny wyłącznie w tym stożku, więc niebieski nie usłyszy ani słowa.
Gdyby samolot nagle się zatrzymał, to nie byłoby to zielone. trzymał głos zielonego dogoni ich obu i usłyszą go obaj, tyle że od tyłu. Oczywiście sytuacja nie ma zastosowania we wnętrzu zamkniętej kabiny.
Tam powietrze porusza się wraz z pasażerami, a dźwięk rozchodzi się normalnie. Ale co z niebieskim? Czy zielony usłyszy niebieskiego?
Jeśli fala akustyczna ma źródło gdzieś w tej okolicy, to musi dotrzeć do niebieskiego usłyszenia. Zielonego usłyszy, bo jego ucho znajdzie się w jego objętości. Ten stożek jednak wcale nie musi zahaczyć o ucho zielonego.
Im szybciej poleci samolot, tym węższy będzie stożek macha niebieskiego. Aż w pewnym momencie stożek stanie się tak wąski, że nie zahaczy już o ucho zielonego. Oznaczałoby to, że przy wystarczająco dużej prędkości zielony również nie usłyszy niebieskiego. Aczkolwiek sam głos dochodzi nie tylko punktowo z ust, ale też w mniejszym.
w najbliższym stopniu z głowy, szyi czy klatki piersiowej, a żeby został odebrany, nie musi koniecznie trafić prosto do ucha. Jest coś takiego jak przewodnictwo kostne. Mianowicie, no Beethoven, który w uchu, on nie słyszał, ale on przykładał, brał laseczkę, patyczek taki sobie większy troszeczkę, usta, koniec przykładał do fortepianu i drgania fortepianu, jak się gra, grało na fortepianie, te drgania się przenosiły na płytę górną czy tam boczną.
Ten patyczek przenosił na drgania zębów i to jest przodnictwo kostne. I słyszał. To się przenosiło na nerw słuchowy i on w ten sposób słyszał.
Wróćmy do równania Dopplera, bo ma ono jeszcze jedno osobliwe rozwiązanie. Jeśli za prędkość źródła wstawimy dokładnie prędkość dźwięku, to te dwie wartości się znoszą, a my otrzymujemy dzielenie przez zero. Ale jeśli przyjmiemy, że samolot zbliża się do prędkości dźwięku, to mianownik zbliża się tutaj do zera, więc cała liczba zbliża się do nieskończoności.
Mamy więc nieskończoną częstotliwość, czyli kolejny powód, by nie używać tego wzoru do prędkości dźwięku i dźwiększych. Nadajmy jednak samolotowi prędkość 1m. Samolot leci z prędkością dokładnie taką samą, z jaką poruszają się kolejne fale dźwiękowe. Czyli w kierunku lotu fale w ogóle nie uciekają od samolotu.
Samolot cały czas emituje nowy dźwięk i każda kolejna fala w tym miejscu nakłada się. się na poprzednią. To właśnie przyczyna, dla której nie usłyszymy najmniejszego szmeru samolotu naddźwiękowego, dopóki ten nie przeleci obok nas.
Jeśli leciałby tutaj głośnik i emitował jakiś utwór, to w tym obszarze zostanie on skompresowany w całości i dotrze do odbiorcy jako pojedyncze uderzenie. Stożek Macha zawiera wszystkie fale wygenerowane przez samolot. No, które oczywiście są falami kulistymi. Każda taka turbulencja, można powiedzieć, że jest tak ekspandująca kulka, ekspandująca kulka.
ekspandujące kółka. Mnóstwo tego wszystkiego jest, ale chodzi o to, że one są wszystkie zawarte wewnątrz stożka. Ale właśnie na tej powierzchni tego stożka one się do siebie dodają w jakiś tam sposób. I dodawanie to prowadzi do tego, że obwiednia tego stożka związana jest z tak zwaną falą N.
Rośnie ciśnienie, do 500 paskali nawet, spada, jest zeru, później się wytwarza podciśnienie. To jest fala N. Dziękuje za oglądanie.
Powstanie tego grzmotu jest często zupełnie mylnie rozumiane jako jednorazowy huk, który samolot generuje w momencie przekraczania bariery dźwięku. Powszechne wydaje się być przekonanie, że huk ten to jakieś jednostkowe zdarzenie na niebie, które dociera potem do obserwatorów. Jest to jednak błąd.
To jest stożek Macha w trójwymiarze. W tym wypadku nie dotarł jeszcze do Ziemi. Pobniżę więc lot samolotu. Na styku stożka Macha z Ziemią mamy hiperbolę.
Każdy punkt na krawędzi tej hiperboli doświadcza zjawiska Sonic Boom. Obszar ten oczywiście porusza się za samolotem. Samolot generuje go więc w sposób ciągły, a grzmot ten wlecze się po gruncie, w miejscu, w którym powierzchnia stożka Macha szoruje po Ziemi. Jeśli na drodze tego styku znajdziecie... Gdzie się obserwator usłyszy pojedynczy grzmot, a następnie pozostały dźwięk za samolotem.
Grzmot ten powstaje w wyniku samego tylko ruchu obiektu, kompresując powietrze przed sobą. Nawet jeśli taki obiekt leciałby bez silników i zupełnie cicho, to i tak wygenerowałby zjawisko Sonic Boom. Warto też pamiętać, że fala uderzeniowa porusza się tak szybko jak obiekt.
Może zatem osiągać prędkości znacznie większe niż dźwięk. Huk wybuchu dynamitu, który dociera do naszych uszu, to nie tylko skumulowany dźwięk spalania i rozrywania ładunku, ale składa się na niego także fala uderzeniowa. Jeśli już przy dynamicie jesteśmy, to tak jak w wypadku wielu różnych dziedzin nauki, niektórym z nich, bardziej niż innym, przyglądało się wojsko. Podobnie też stało się w wypadku fali uderzeniowych.
Sytuacje tego typu mamy, że jednocześnie w danej chwili przy powierzchni Ziemi dochodzi więcej niż jedna fala uderzeniowa. I to jest właśnie zjawisko zwane... ogniskowaniem fal dyrynowej. Ja tam też w swoim doktoracie takie coś robiłem, no i właśnie to wojsko tam zdaje się obwąchało to, bo przy przelocie, no powiedzmy sobie z tam dwa machy na wysokości kilkuset metrów, no to skutki są takie jak w czelabińsku, że wylatują szyby. Ale teraz można dokonać takiego manewru, ja wtedy nieopatrznie się tym zacząłem zajmować, może niepotrzebnie, Takie prace w tych latach 70. były, Francuzi nie lubili, że przez odpowiedni manewr, no na przykład jeżeli ktoś będzie latał w kółko z prędkością macha, to można sobie wyobrazić, że istnieje miejsce, do którego cały czas dochodzi.
Ale to było głodnie, trzeba było się pchać w to wszystko. No i wtedy mamy tak zwane ognisko fal uderzeniowych i tam... Tam, no bo tutaj co dużo gadać, no, jeżeli mamy do czynienia z eksplozją, bombę na przykład jakiejś, no to zejścia z tego padołu następują na przykład na skutek rozerwania płuc. ten skok ciśnienia jest tak duży że są ludzie którzy autopsja ogląd zewnętrzny nie wskazuje na przyczynę okazuje się, że organy wewnętrzne czaskają Inną niezwykłą okolicznością jest ta stożkowa chmura.
Powierzchnia stożka Macha to fala uderzeniowa. To obszar, w którym ciśnienie gwałtownie wzrasta, a następnie szybko spada i to do poziomu poniżej otoczenia, a następnie znów wzrasta. Obszar obniżonego ciśnienia powoduje nagłą kondensację i powstanie mgły, która szybko zanika wraz ze wzrostem ciśnienia.
Podobne zjawisko ma także miejsce przy niższych prędkościach, na przykład na końcówkach skrzydeł. Jego przyczyna jest jednak wówczas inna. i dotyczy obniżonego ciśnienia w strumieniu płynu. Ta niezwykła, staszkowa chmura nie jest też oczywiście obiektem ruchomym, ale zjawiskiem lokalnym, w kolejnych miejscach pojawiającym się i znikającym w sposób ciągły, tak szybko, że tworzy wrażenie jednego, ruchomego obiektu.
Zjawisko to można niekiedy zaobserwować w warunkach naturalnych, jak na tym niezwykłym filmie, w którym następuje erupcja wulkanu i naddźwiękowy wyrzut materiału skalnego do atmosfery. Zwróćcie uwagę na chmurkę przy eksplozji oraz... oraz na to, co dzieje się z chmurami powyżej. Innym ciekawym zjawiskiem jest załamanie światła w fali uderzeniowej, które niekiedy staje się widoczne gołym okiem. Ten wąski obszar odmiennego ciśnienia powietrza ma inne własności optyczne niż powietrze obok i w sprzyjających warunkach może zadziałać jak soczewka.
...dokuczliwość tego... To jest niezwykły brak sygnału akustycznego. Nienaturalny.
Nienaturalny. Na przykład w Stanach w tej chwili jakieś tam badania lecą przed tą wyprawą na Marsa, no bo tam ludzie dwa lata w ciszy będą, nie? Oczywiście oni mogą się tam słuchać.
słuchać czegoś, ale też nie można słuchać cały czas muzyki, bo też nawet można dostać. Chodzi o to, że my żyjemy w ciszy, która nie jest ciszą. Tak naprawdę, jak Pan jest w domu, idzie Pan ulicą, czy idzie Pan samochodem, czy coś tam, zawsze coś jest, nie? A tam będzie absolutna dziura, nie? Tak jak tu.