O prędkości dźwięku słyszeli chyba wszyscy, ale ciągle sporo osób ma o niej trochę błędne pojęcie. Czym jest, czy dotyczy tylko samolotów, co to znaczy latać z prędkościami naddźwiękowymi i czy w najbliższym czasie czeka nas jakaś rewolucja w tym zakresie?
Tekst aktualizowany 6.03.2024.
Kiedy byłem jeszcze w podstawówce, jedną z moich największych fascynacji było lotnictwo. Rzeczą, która robiła na mnie ogromne wrażenie, była możliwość przekraczania samolotem „magicznej” prędkości dźwięku, a oczami wyobraźni człowiek widział się „za parę lat” za sterami jakiegoś umożliwiającego ten wyczyn myśliwca.
Cała przygoda z zawodem pilota wojskowego zakończyła się dość szybko i przykro. Po wymyśleniu sobie, że pójdę do Liceum Lotniczego w Dęblinie, przygotowania fizyczne zacząłem tak ostro, że wylądowałem w szpitalu z zapaleniem stawów, które przekreśliło tak pięknie rozwijającą się karierę.
Prędkość dźwięku jednak, już dzięki nauce, nie przestała być nigdy fascynująca. Właściwie to dopiero fizyka pokazała mi, jak wiele ciekawych zjawisk jest z nią związanych. Czym więcej jest prędkość dźwięku i ile wynosi? No więc właśnie nie jest to takie proste, gdyż wartość tej prędkości, zależnie od tego w czym się przemieszcza fala akustyczna, nie jest taka sama.
Dźwięk jest sposobem, w jaki nasz mózg interpretuje zaburzenia gęstości (lub ciśnienia, jak kto woli) powietrza, dzięki konwersji ich przez skomplikowany mechanizm naszych uszu na impulsy nerwowe. Zaburzenia tego typu mają charakter falowy, a całe zjawisko zostało nazwane właśnie falą akustyczną.
Jeśli na przykład uderzymy w metalową rurkę, atomy w niej zaczną się przemieszczać, mówiąc inaczej rurka zacznie drżeć. Drżenie to nic innego jak zmiana kształtu, która musi, chcąc nie chcąc, oddziaływać na znajdujące się wokół niej cząsteczki powietrza.
Odepchnięte cząsteczki zderzają się z sąsiadami przenosząc energię mechaniczną, co skutkuje pojawieniem się obszarów zwiększonej lub zmniejszonej gęstości rozchodzących się od źródła we wszystkich kierunkach. Jeśli takie przemieszczające się wzburzenie cząstek powietrza napotka przeszkodę, zależnie od jej struktury może zmienić kierunek, osłabić się, wzmocnić itd.
Słynny szum morza zaklęty w muszli jest niczym więcej, jak wzmocnieniem przez jej kształt fal akustycznych z naszego otoczenia do poziomu powyżej progu słyszalności. Nasz mechanizm słuchu sporego zakresu fal nie jest w stanie wystarczająco wzmocnić, aby narząd Cortiego dał radę zmienić go na impulsy.
Opis tego czym dźwięk jest, ma na celu pokazać wam ważną rzecz: żeby zrozumieć czym jest prędkość dźwięku... o nim samym najlepiej zapomnieć, a skupić się wyłącznie na gęstości, ciśnieniu i cząsteczkach.
Warto też pamiętać, że choć prędkość dźwięku odnosi się potocznie do obiektów, takich jak samoloty, to tak naprawdę w tym przypadku dotyczy ona wyłącznie zmian gęstości i ciśnienia samego ośrodka, w którym fala się rozchodzi, w tym przypadku powietrza.
Dlaczego wiec prędkości dźwięku nie da się określić jednoznacznie, tak jak choćby prędkości światła? Ponieważ zderzające się ze sobą cząsteczki mają określone cechy fizyczne, prędkość przemieszczania fali w odmiennych substancjach musi być różna. Różnice te, wbrew powszechnemu mniemaniu, są naprawdę olbrzymie.
Nie wchodząc w szczegóły, niuanse i wyjątki można uogólnić, że fala akustyczna rozchodzi się najwolniej w ośrodkach łatwo ściśliwych, czyli gazach, a najszybciej w ciałach stałych. Duże znaczenie ma też temperatura ośrodka, im niższa, tym szybkość spada.
Kilka lat temu, naukowcy badający właściwości materii na poziomie subatomowym wyliczyli, że maksymalna prędkość dźwięku wynosić może 36 km/s, czyli 129600 km/h. Naukowcy przypuszczają, że fale zbliżające się do tej prędkości mogą występować w warstwach metalicznego wodoru otaczających jądra gazowych olbrzymów, takich jak Jowisz.
Najlepszy wynik zmierzony w laboratorium uzyskał diament i było to „raptem” 43200 km/h. Jak zmienna jest prędkość dźwięku pokażę na przykładzie wody. W jej przypadku, w temperaturze pokojowej (20 °C) fala akustyczna rozchodzi się z prędkością 5335 km/h, jeśli jednak schłodzimy ją do temperatury bliskiej 0°C prędkość spadnie do 5047 km/h. Jeśli zamiast schładzać delikatnie ją posolimy, uzyskując 3,5% zasolenia, to „przyśpieszymy” falę do 5479 km/h.
Warto w tym miejscu dodać, że jest jeden ośrodek, w którym fala „ma prędkość” 0 km/h, czyli takie zjawisko nie występuje w ogóle. Jest nim oczywiście idealna próżnia, w której nie ma cząsteczek, które byłyby w stanie przemieszczać się i zderzać.
No dobrze, wiadomo, że o prędkości dźwięku mówi się praktycznie wyłącznie w kontekście samolotów, czasem może jeszcze pocisków rakietowych. Kluczowa dla nas będzie więc prędkość dźwięku rozchodzącego się w powietrzu, która również nie jest stała.
W temperaturze 20°C, prędkość dźwięku wynosi 343 m/s, czyli 1,235 km/h, dla 0 °C będzie to 1,192 km/h. Ponieważ jak wiecie temperatura powietrza jest zależna od wysokości i kilku innych czynników, stwierdzenie, że samolot leci z prędkością dźwięku nie oznacza jednej, konkretnej prędkości.
Stąd też prędkość samolotów ponadźwiękowych określa się często w liczbach Macha, która w uproszczeniu oznacza stosunek prędkości obiektu poruszającego się w płynie (w naszym przypadku powietrzu) do prędkości dźwięku dla tego ośrodka. Czyli lecąc z prędkością 1200 km/h samolot zależnie od wysokości lotu, może prędkość dźwięku dla powietrza nieznacznie przekraczać lub tylko się do niej zbliżać.
Sporo osób ma też na temat samego przekraczania tej prędkości mylne wyobrażenie. Najczęściej można usłyszeć opinię, że w tym momencie słychać donośny huk. Tymczasem grom dźwiękowy (z angielska „sonic boom”) towarzyszy lecącemu z prędkością naddźwiękową samolotowi cały czas, tylko my słyszymy go przez krótki okres.
To zjawisko jest wynikiem powstawania fal uderzeniowych generowanych przez „przeciskający” się przez powietrze samolot. Przyśpiesza on jego cząsteczki do prędkości naddźwiękowych generując szybkie i bardzo mocne lokalne zmiany ciśnienia. Bliski przelot takiego samolotu potrafi uszkodzić nie tylko nasze uszy, ale nawet budynki.
Z racji naddźwiękowej prędkości samolotu, tak wygenerowana fala „ciągnie” się za nim, rozchodząc się w kształcie stożka (tzw. stożek Macha). Słyszymy ją więc dopiero po tym, gdy taki samolot nas minie, o ile oczywiście znajdziemy się w granicy tego stożka. Towarzyszyć będzie temu najpierw huk, po którym pojawi się słabnący „normalny” dźwięk samolotu (będący falą już wyhamowana do niższych prędkości).
Niektórzy twierdzą też, że oznaką lotu z prędkością naddźwiękową jest charakterystyczna stożkowa mgiełka. Tymczasem obłok Prandtla-Glauerta, ponieważ tak nazywa się to zjawisko, towarzyszy samolotom poruszającym się z prędkościami bliskimi prędkości dźwięku otaczającego ich powietrza, ale jej nie przekraczającymi.
Gdy samolot zbliży się do prędkości 1 Macha, opływające go powietrze zaczyna ją w niektórych miejscach przekraczać. Powstają wtedy lokalne zmiany ciśnienia powodujące spadek temperatury poniżej punktu rosy. „Ostre” zakończenie tej chmury wyznacza początek fali uderzeniowej. Gdy samolot przyśpieszy jeszcze mocniej powstanie także przednia fala uderzeniowa, a obłok zaniknie.
W większości artykułów o prędkości dźwięku spotkacie informację, że jako pierwszy prędkość dźwięku przekroczył samolot Bell X-1 pilotowany przez Chucka Yeagera. Jest to prawda, ale tylko jeśli chodzi o pojazdy załogowe.
Jeśli chodzi o pojazdy bezzałogowe, to kilka lat wcześniej udała się ta sztuka niektórym rakietom z programu Aggregat, prowadzonego przez III Rzeszę pod kierunkiem Wernera von Brauna. Najbardziej znanego przedstawiciela tej rodziny pojazdów znacie pod nazwą pocisku balistycznego V-2. Te rakiety osiągały prędkość około 5,700 km/h, czyli prawie 5 Machów. To oznacza z kolei, że rekiety te ocierały się o granicę prędkości hipersonicznych.
Sam samolot naddźwiękowy na II Wojnę Światową już nie zdążył, wspomniany lot Bella X-1 miał miejsce w 1947 r. i otworzył nowy rozdział w dziejach lotnictwa. Od tamtej pory prędkości supersoniczne (czyli takie pomiędzy 1 a 5 M) osiągały nie tylko myśliwce, ale także bombowce, a nawet dwa samoloty pasażerskie, brytyjsko-francuski Concord oraz radziecki Tu-144.
O ile jednak w lotnictwie wojskowym samoloty naddźwiękowe są dziś standardem, w przypadku lotnictwa cywilnego przegrały pojedynek z poddźwiękowymi, głównie ze względu na bardzo wysokie koszty ich użytkowania. Ostatni pasażerski lot Concorda miał miejsce w 2003 r.
Najszybszym załogowym samolotem w historii był eksperymentalny North American X-15. Podobnie jak Bell X-1 był zrzucany w powietrzu przez samolot-matkę (tu bombowiec B-52) i ustanowił wiele niepobitych do dziś rekordów. Część pilotów przekroczyła w nim linię Karmanna, a w 1967 r. pilot William J. "Pete" Knight osiągnął prędkość 6.7 Macha (7,274 km/h). To jedyny hipersoniczny samolot z człowiekiem na pokładzie.
Najszybszym startującym normalnie samolotem był zwiadowczy Lockheed SR-71 Blackbird, który przekroczył barierę 3,3 Macha, a jego prędkość przelotowa nad dużych pułapach była niewiele niższa. Najszybszym samolotem bojowym był z kolei Mig-25, który osiągał ponad 2,8 Macha. Jeden z egzemplarzy tego samolotu podobno został przyłapany z 3,2 Macha „na liczniku”, ale okupił to koniecznością remontu silników. Większość „normalnych” samolotów bojowych lata z prędkościami do 2, czasem 2,5 Macha.
Jednak to nie samoloty są najszybszymi pojazdami załogowymi. Kapsuły kosmiczne i wahadłowce powracające z przestrzeni kosmicznej wchodzą w atmosferę z prędkością mniej więcej 28000 km/h, co oznacza, że ich prędkość to w pełni hipersoniczne 25 Machów. Z kolei pierwszy stopień Falcona 9 startującego w przestrzeń kosmiczną osiąga przed separacją prędkość około 8 - 10 Machów.
Skoro weszliśmy na teren prędkości hipersonicznych, warto zauważyć, że od kilku lat trwa wyścig pomiędzy najbardziej rozwiniętymi technologicznie państwami o to, kto pierwszy stworzy seryjnie produkowane samoloty (czy też bardziej bezzałogowe drony) oraz manewrujące pociski hipersoniczne. Prace nad tego typu pojazdami prowadzą Stany Zjednoczone, Rosja, Chiny, Indie, Japonia, Australia, Niemcy i Francja.
Co jakiś czas słyszymy o mniej lub bardziej udanych próbach z prototypami tego typu, ale ciągle wygląda na to, że trudności związane ze stabilnością lotu takich pojazdów są ogromnym wyzwaniem. Ekstremalne osiągi miał przykładowo amerykański Hypersonic Technology Vehicle 2 (HTV-2), który według agencji DARPA osiągnął prędkość 20 Machów. Niestety obie próby jego lotu zakończyły się rozbiciem o powierzchnię oceanu.
Pytanie co z tego wszystkiego wyjdzie pozostaje ciągle otwarte, lektura jakiejkolwiek pracy opisującej siły, z jakimi musi mierzyć się pojazd podróżujący przez atmosferę z takimi prędkościami, daje naprawdę dużo do myślenia.
Nowe projekty naddźwiękowców nie idą jednak tylko w kierunku zwiększania prędkości. Lockheed Martin X-59 jest koncepcyjnym samolotem supersonicznym, który ma odpowiedzieć na pytanie, czy da się stworzyć samoloty nie generujące aż tak dużego gromu akustycznego. To jedno z kluczowych zagadnień, mogących przywrócić, a następnie spopularyzować loty naddźwiękowe na rynku cywilnym.
Niezależnie od tego projektu, także kilka nowych firm próbuje stworzyć cywilne naddźwiękowce. Głośno było ostatnio o 55-osobowym samolocie Boom Overture, który zakontraktowało United Airlanes. Warto jednak pamiętać, że samolot cały czas jest w fazie projektowania i czy firma zdoła go doprowadzić do produkcji, wcale pewne nie jest.
Wkrótce na niebie pojawi się potencjalny rekordzista – SR-72, tajny projekt Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych. Ten hipersoniczny samolot, zwany "synem Blackbirda", ma osiągnąć prędkość 6437 km/h, stając się tym samym najszybszym samolotem w historii. Planowany start w 2025 roku budzi ogromne zainteresowanie, zwłaszcza że SR-72 ma być maszyną bezzałogową, zaprojektowaną do zadań związanych z wywiadem i obserwacją. Kompatybilność z nowoczesną bronią sprawi, że będzie doskonałym narzędziem do misji w niebezpiecznych środowiskach. Inżynierowie pracują nad unikalnym układem napędowym, który pozwoli na wielokrotne użytkowanie samolotu przy utrzymaniu prędkości hipersonicznych. Szczegóły projektu wciąż pozostają tajemnicą, jednak już teraz SR-72 zapowiada się na przełom w historii lotnictwa.
Jak widzicie zagadnienia związane z prędkością dźwięku, to fascynujący temat-rzeka, który tutaj i tak przedstawiłem ze sporymi uproszczeniami. Być może już niedługo znów nadejdą czasy, gdzie nie tylko wojskowi będą mogli cieszyć się naddźwiękowymi podróżami. Z drugiej strony opracowanie pocisków hipersonicznych, szczególnie gdyby dokonała go tylko jedna strona, może przynieść nowe zagrożenia. Ale to już nie wina prędkości dźwięku, tylko naszej cywilizacji.
Zdjęcia: Wikipedia
Hej, jesteśmy na Google News - Obserwuj to, co ważne w techu
