Zvučni zid

Brzo zgušnjavanje vodene pare zahvaljujući probijanju zvučnog zida koje se vidi slobodnim okom

Probijanje zvučnog zida avionom koji leti M=2.92

Zvučni zid ili zvučna barijera, fizička pojava koja nastaje kada se poravnaju brzine izvora zvuka i zvuka i kada se u jednoj tački dodiruju svi oscilujući talasi zvuka i oscilujući talasi izvora zvuka. U toj tački je akumulirana maksimalna oscilatorna energija. Ta moćna energetska tačka se zove zvučni zid ili zvučna barijera.,

Fizička zakonitost

U fizici se, pre nego što je i nastao problem probijanja zvučnog zida kod aviona, znalo i za zakonitost interferencije talasa istih talasnih dužina pri pomaku u fazi, i za posledice njihovog slaganja: poništenje, uvećavanje ili umanjenje amplituda, kao i za postojanje zvučnog zida. U trenutku kada izvor zvuka dostigne brzinu zvuka nastaje zvučni zid ili zvučna barijera. Kada izvor zvuka prestigne sopstveni zvuk, kada brzina izvora zvuka postane veća od brzine zvuka, tada dolazi do zvučne eksplozije, dobro poznate kod letenja nadzvučnih aviona. Talas više nisu sadržani jedni u drugima, već obuhvataju talasni konus izvan koga se ne čuje nikakav zvuk. Poluugao ovog konusa lako je izračunati:

${\frac {V(brzinazvuka)}{s(brzinaizvorazvuka)}}=\operatorname {sin} \alpha$

Ako je s=V $\alpha =90^{o}$, konus predstavlja površinu pa ponovo dobijamo zvučni zid.

Posmatrač će prvo osjetiti "suvo pucketanje" jer postoji nagomilavanje energije na površini konusa koja je postavljena tangencijalno u odnosu na talasne površine. Potom će čuti običan zvuk izvora kada talasne površine prolaze mimo njega. Takvo je pucketanje zrna koje prati zviždanje, pucketanje kraja lanenog biča, zvučna eksplozija pri letu aviona.

Problem zvučnog zida u konstrukciji aviona

Kako se usljed interferencije talasa, amplitude oscilujućih čestica izvora uvećavaju za amplitude oscilujućih čestica medija kroz koji se on kreće dolazi do maksimalnog uvećanja amplituda oscilujućih čestica izvora što ugrožava njegov fizički integritet. Ova fizička zakonitost je eksplicirala problem u konstrukciji aviona koji se kreću brzinama većim od brzina zvuka - nadzvučni avioni. Avion, dugo godina najbrža naprava i prva koja se mogla kretati brzinom zvuka, sasvim prirodno je prvi gdje se ovaj zakon akustike predstavio kao problem. Znalo se da će u momentu kada izvor zvuka dostigne brzinu sopstvenog zvuka doći do interferencije, i uvećanja amplituda oscilujućih čestica materijala od kojih je građen izvor zvuka-avion, za amplitude oscilujućih čestica vazduha-zvuka, i posljedično, do problema očuvanja fizičkog integriteta izvora zvuka-aviona.

Avion, sa moćnim motorima koji ga pokreću, je i izvor snažnih vibracija i oscilovanja čestica materijala od kojih je načinjen. Ove vibracije pokreću čestice okolnog vazduha tjerajući ih da i one osciluju i tako proizvode zvuk. Sada imamo, na jednoj strani, izvor zvuka (avion) i na drugoj, avionov sopstveni zvuk. Izvor zvuka - avion, ima svoju brzinu. Proizvedeni oscilovani vazduh - zvuk, ima svoju brzinu od 340 metara u sekundi. Kada avion dostigne sopstveni zvuk, tj. kada im se brzine izjednače, dolazi do interferencije, slaganja-sabiranja amplituda oscilujućih čestica aviona i oscilujućih čestica vazduha - zvuka. Time se amplitude oscilujućih čestica od kojih je sačinjen avion dupliraju.

Odnosno, još jednostavnije rečeno, čestice materijala od kojih je sačinjen avion bi prelazile duplo veći put, i tako postale nepodnošljivo agresivne i destruktivne za materijal od kojih je avion načinjen. Ni tada, u prvim danima ovakvih eksperimenata, pa sve do danas, tehnologije nisu proizvele materijale takvih čvrstina i elastičnosti, koji bi mogli da podnesu ovakvu agresiju – avion bi se dezintegrisao-raspao. Tako se taj momenat, kada izvor zvuka dostiže brzinu sopstvenog ili nekog tuđeg zvuka, ispriječio i bukvalno kao zid ili barijera. Otuda je i termin „ zvučni zid“. Konstruktori aviona su već imali avione koji su mogli da se kreću jedanput (1Ma), dva puta (2 Ma) brže od zvuka. Ali, pošto postojeći avioni nisu imali dovoljno velika ubrzanja koja bi im omogućila skraćenja vremena u kome su brzina aviona i njegovog zvuka jednaki, postojeći materijali ne bi izdržali. Trebalo je napraviti avione koji bi u još kraćem vremenu prevazilazili brzinu zvuka i tako spriječavali proces dezintegracije materijala od kojih su avioni građeni.

Matematičko objašnjenje

Kako se matematički objašnjava ova pojava enormnog oscilatornog opterećenja materijala od koga je sačinjen avion? Fenomen „Zvučni zid“ se objašnjava i naučno legalizuju u matematičko-teoretskim postavkama Doplerovog efekta. Kako se Doplerov efekat u jednom svom obliku iskazuje razlomkom kod koga je djelilac, ili nazivnik, razlika brzina zvuka i brzine izvora, tada je, u slučaju kada se poravnaju brzina aviona i zvuka, djelilac jednak 0. Vrijednost razlomka kome djelilac teži nuli neograničeno raste tj. teži beskonačnom! Znači da je, u tom djeliću vremena u kome su jednaki brzina zvuka i izvora (avion), frekvencija maksimalna , približna beskonačnoj, pa otuda fatalno razorna. Tako ovaj praktični problem objašnjava i potvrđuje matematika.

Rješenje problema

Kako tehnologija materijala za proizvodnju aviona nije u bliskoj budućnosti obećavala materijale većih čvrstina i odgovarajuću izdržljivost avionskih konstrukcija za tako velika oscilatorna opterećenja, ostalo je samo da se poradi na materijalima i konstrukcijama koje će omogućiti povećanja ubrzanja aviona. Tačnije, da se avion učini toliko ubrzanim i moćnim, da u najkraćem mogućem vremenu savlada i nadmaši brzinu sopstvenog zvuka. To je bio jedini način. Skraćenje vremena boravka aviona u nivou brzine sopstvenog zvuka, omogućilo je konačno savladavanje i probijanje te moćne prepreke - Zvučnog zida, i konačno ulaženje u svijet nadzvučnog kretanja.

U letu nadzvučnih aviona postoje dva kritična momenta. U oba slučaja avion dostiže svoj zvuk. U prvom prestižući ga, a u drugom usporavajući sa brzina većih od zvuka. U oba slučaja se čuje eksplozija, prasak, pucanj. Što takođe ukazuje na ozbiljnost problema pred kojim je bila suočena aeronautika. Avioni su, samo po ko zna koji put, ukazali na neumoljivost fizičkih zakonitosti. Zvučni zid bi jednako morali probijati i vozovi, ili brodovi, ili automobili, kada bi se, kojim slučajem, mogli kretati brzinama većim od brzina zvuka. Znači, problem „Zvučni zid“ je i širi i opštiji.

Čovjek u zvučnom zidu

14. oktobra 2012. godine je i prvi čovjek van letjelice, austrijski sportista Feliks Baumgartner , samo u primjerenom letačkom kombinezonu-skafanderu, krećući se brzinama tijela u slobodnom padu, probio zvučni zid skočivši iz kapsule balona sa visine od oko 39.000 metara. U njegovom poduhvatu je bilo nekoliko izuzetno rizičnih mjesta. Pored zagrijavanja skafandera usljed trenja kroz atmosferu, značajnih promjena pritisaka i njihovog usklađivanje u kapsuli i skafanderu sa spoljnim, veliko pitanje je bilo i kako će skakač proći u trenutku kada dostigne brzinu zvuka. Sigurno je da nije bilo velikog ubrzanja padobranca uslovljenog elementarnim zakonom fizike o tijelu u slobodnom padu, da Baumgartner ne bi preživio ovaj skok. Kako je ubrzanje u slobodnom padu svakog tijela vrlo veliko, tačnije, u ovom slučaju dovoljno veliko, Baumgartner se spasonosno, u zanemarljivo kratkom vremenu kretao tom fatalnom brzinom zvuka.

Zanimljivost

Problem koji je imala cijelokupna svjetska aeronautička pamet i avionska industrija u konstrukciji aviona i njihovih motora, kako bi vrijeme u kome letjelica boravi u zoni brzine zvuka bilo što kraće, u slučaju ovog hrabrog padobranca, priroda rješava nedvosmisleno, uvažavajući jedino sopstveni elementarni zakon gravitacije, koji svakom tijelu u slobodnom padu obezbjeđuje takvo ubrzanje da u bezbjedno kratkom vremenu borave u opasnim zonama brzina zvuka.

Problem zvučnog zida ne postoji u bezvazdušnom prostoru!

Literatura

• Grupa autora, Enciklopedija Britanika, Politika, Beograd, 2005.
• Grupa autora, Enciklopedija leksikografskog zavoda, 7 knjiga, Sindikalizam-Žvale, Zagreb, 1964.