Fizica unei căderi libere supersonice și a cursei pentru a construi un Concorde mai silențios

Dacă doriți să construiți o rachetă cu un design nou îndrăzneț, trebuie să aveți o modalitate de a testa integritatea sa structurală fără a instala un motor. Nu ai un tunel de vânt, dar nu ești gata să recunoști. Te gândești la tine, "Ce zboară fără propulsie?" Apoi răspunzi la întrebarea ta: "Falling". Pur și simplu, cel mai simplu mod de a zbura fără lansare este să scadă. Luați un prototip foarte sus, lăsați-l, și veți avea un sentiment de performanță la viteză.

Cel mai important practician al artei de a scăpa de precizie este Japonia Aerospace Exploration Agency sau JAXA, care este practic versiunea japoneză a NASA. Agenția încearcă să construiască un plan practic supersonic, ceea ce nu este ușor. Eforturi similare au creat în trecut produse mediocre, cele mai faimoase Concorde.

Concorde a fost afectată de probleme care împiedicau alte aeronave să adopte același tip de design pentru propria lor ambarcațiune. Una dintre cele mai mari probleme a fost excesul de zgomot. Termenul de "boom sonic" nu este un nume greșit - ruperea bariera sonoră este un fenomen puternic nebun. Producătorii au trebuit să proiecteze avionul pentru a împiedica explozia capului călătorilor, iar avioanele nu au putut să zboare cu avionul pe pământ, deoarece nici o ființă umană nu vrea să fie supusă unor astfel de sunete distrugătoare. Scopul JAXA este acela de a crea un plan de pasageri suprasonic mai silențios. Și testele sale prin teste de picătură cu un model experimental în Suedia.

Cum naiba funcționează asta? Practic, un balon ridică avionul fără pilot - Modelul Silent SuperSonic al modelului JAXA, care se află la aproximativ 18,6 mile în aer și îl lasă pur și simplu. Senzorii atașați planului măsoară undele de șoc deoarece avionul atinge viteze de până la 1,39 Mach în cădere liberă.

Fizica unei căderi libere supersonice nu este cu totul diferită de modul în care un obiect care se mișcă mai repede decât sunetul pe un plan orizontal operează. Aerul devine puternic comprimat în fața planului, care inundă un val de presiune înaltă în toate direcțiile. Această undă de șoc începe să se propagă prin aer, dar devine mai slabă pe măsură ce se mișcă mai departe, devenind un val de sunet în acest proces. Aceasta este explozia puternică pe care o auzim și numim un boom sonic.

Pentru a înțelege ce este special în legătură cu o cădere liberă supersonică, ar trebui să aruncăm o privire mai atentă la ce se referă exact la numerele Mach: raportul dintre viteza obiectului și viteza sunetului la un anumit loc. Viteza sunetului este supusă schimbărilor de temperatură și presiune - la altitudini mai mari, viteza sunetului scade, astfel că un obiect nu trebuie să călătorească la aceeași viteză pentru a ajunge la Mach 1 la nivel de mare. (Viteza sunetului la nivelul mării este de aproximativ 760 mile pe oră).

În plus, Mach 1 este un mediu foarte instabil din cauza undelor de șoc create de ruperea bariera sonoră. Chiar și mișcările mici pot avea efecte fizice foarte puternice asupra obiectului. Cea mai proastă locație este în esență între Mach 0.9 și 1.2.

Deci, atunci când un obiect se mișcă la viteze supersonice în cădere liberă, se află în poziția neobișnuită de accelerare mai rapidă, în timp ce numărul lui Mach crește într-un ritm mai lent. Mai mult timp este petrecut în zona instabilă Mach decât dacă se mișca pe un plan orizontal. Majoritatea avioanelor sunt proiectate să se deplaseze peste Mach 1 și să intre într-o zonă sigură cât mai repede posibil. Nu puteți testa ceva de genul acesta într-un experiment cu cădere liberă.

De asemenea, viteza depășește din cauza tragerii. Așa sa întâmplat probabil în cea mai faimoasă instanță a unui obiect care se mișcă mai repede decât sunetul prin gravitate: saltul lui Felix Baumgartner în 2012 de la circa 23 de kilometri în aer, pentru a deveni primul scafandru pentru a rupe bariera sonoră fără a utiliza a unei aeronave. Când Baumgartner a căzut pe Pământ, în cele din urmă s-a oprit din cauza coliziunii cu moleculele de aer, creând "forța de tragere" care a constituit rezistența aerului până când a devenit egală și opusă forței gravitației. În acest moment, Baumgartner ajunsese la o viteză maximă.

De fapt, în timp ce majoritatea obiectelor care ating viteza terminală ar rămâne pur și simplu la o viteză constantă, Baumgartner a început să încetinească, de vreme ce atmosfera înconjurătoare începe să devină mai groasă și mai groasă pe măsură ce un obiect în cădere liberă se mișcă în jos. Deci, viteza terminală începe să scadă - ceea ce înseamnă că Baumgartner a început să încetinească și el. Același lucru s-ar întâmpla probabil cu unul dintre modelele Silent SuperSonic Concept Model JAXA care testează.

Știința, ca cele mai multe alte lucruri din viață, este mai rece atunci când este mai rapidă.