Fizika Supersoničnog slobodnog pada i utrka za izgradnju mirnijeg Concordea

Ako želite izgraditi raketu s novim dizajnom, morate imati način da testirate njegov strukturni integritet bez ugradnje motora. Nemate zračni tunel, ali niste spremni priznati. Razmišljate o sebi: "Što je let bez pogona?" Zatim odgovorite na svoje pitanje: "Padanje". Jednostavno rečeno, najlakši način letenja bez lansiranja je padanje. Uzmite prototip vrlo visoko, ispustite ga i dobit ćete osjećaj za njegovu brzinu.

Najistaknutiji svjetski stručnjak za precizno ispuštanje je Japanska agencija za istraživanje zrakoplovstva ili JAXA, koja je u osnovi japanska verzija NASA-e. Agencija pokušava izgraditi praktičan supersonični zrakoplov, što nije lako. Slični napori u prošlosti stvarali su osrednje proizvode, a najpoznatiji je Concorde.

Concorde je bio izložen problemima koji su spriječili druge zrakoplove da usvoje istu vrstu dizajna za vlastiti obrt. Jedno od najvećih problema bilo je prekomjerna buka. Pojam "zvučni bum" nije pogrešan naziv - razbijanje zvučne barijere je suludo glasan fenomen. Proizvođači su morali dizajnirati zrakoplov kako bi spriječili eksploziju putnika, a zrakoplovi nisu mogli letjeti zrakoplovom preko kopna, jer niti jedno ljudsko biće na zemlji ne želi biti podvrgnuto takvim destruktivno glasnim zvukovima. JAXA ima za cilj stvoriti tiši supersonični putnički zrakoplov. I njegovo testiranje kroz testove ispuštanja s eksperimentalnim modelom u Švedskoj.

Kako to dovraga radi? U osnovi, balon podiže model bespilotne letjelice - JAXA-in Silent SuperSonic konceptni model oko 18,6 milja u zrak, i jednostavno ga ispušta. Senzori pričvršćeni na ravninu mjere udarne valove dok se zrakoplov približava brzinama do 1,33 Macha u slobodnom padu.

Fizika nadzvučnog slobodnog pada nije toliko različita od toga kako djeluje objekt koji se kreće brže od zvuka na horizontalnoj ravnini. Zrak postaje snažno komprimiran ispred ravnine, koja poplavljuje val visokog tlaka u svim smjerovima. Ovaj udarni val počinje se širiti kroz zrak, ali postaje sve slabiji kada se pomakne dalje, postajući zvučni val u tom procesu. Ovo je glasna eksplozija koju čujemo i zovemo zvučnim bumom.

Da bismo razumjeli što je posebno kod nadzvučnog slobodnog pada, trebali bismo pobliže pogledati na što se točno odnosi Machov broj: odnos između brzine objekta i brzine zvuka na određenom mjestu. A brzina zvuka podložna je promjenama temperature i tlaka - na većim visinama brzina zvuka se smanjuje, tako da objekt ne mora nužno putovati istom brzinom da dosegne Mach 1 desetak milja u zraku, radi na razini mora. (Brzina zvuka na razini mora je oko 760 milja na sat).

Nadalje, Mach 1 je izrazito nestabilna okolina zbog udarnog vala nastalog razbijanjem zvučne barijere. Čak i mali pokreti mogu imati vrlo snažne fizičke učinke na objekt. Najgore je mjesto u osnovi između 0.9 i 1.2.

Dakle, kada se objekt kreće pri nadzvučnim brzinama u slobodnom padu, to je u neobičnom položaju ubrzavanja brže, dok se Machov broj povećava sporijim tempom. Više vremena se troši u nestabilnoj zoni Macha nego da se kreće u horizontalnoj ravnini. Većina zrakoplova je dizajnirana za pomicanje iznad Mach 1 i ulazak u sigurnu zonu što je brže moguće. Ne možete tako testirati u eksperimentu slobodnog pada.

Brzina se također povlači zbog povlačenja. To je ono što se dogodilo u vjerojatno najpoznatijem primjeru objekta koji se gravitacijom kreće brže od zvuka: skok Felixa Baumgartnera u 2012. od oko 23 milje gore u zrak, da bi postao prvi ronilac neba koji će razbiti zvučnu barijeru bez upotrebe zrakoplova. Kad je Baumgartner pao na Zemlju, naposljetku je prestao ubrzavati zbog sudara s molekulama zraka, stvarajući "silu povlačenja" koja se nakupljala kao otpor zraka sve dok nije postala jednaka i suprotna sili gravitacije. U tom je trenutku Baumgartner dostigao maksimalnu brzinu.

Zapravo, dok bi većina objekata koji dosegnu terminalnu brzinu jednostavno ostala na konstantnoj brzini, Baumgartner je zapravo počeo usporavati, budući da okolna atmosfera postaje sve deblja i deblja dok se predmet u slobodnom padu spušta. Tako se terminalna brzina počinje smanjivati ​​- što znači da je Baumgartner također počeo usporavati. Vjerojatno bi se ista stvar dogodila i jednoj od Silent SuperSonic koncept modela modela JAXA je testiranje.

Znanost je, kao i većina drugih stvari u životu, hladnija kada je brža.