Prędkość dźwięku. Wszystko, co musisz o niej wiedzieć

Niemal wszyscy o niej słyszeli, a tak niewielu jej bezpośrednio doświadczy. Prędkość dźwięku to nieco magiczna wartość której przekroczenie zmienia wszystko. Albo jesteś w klubie, albo nie. Grono ludzi, którzy zaznali tego uczucia, jest stosunkowo niewielkie, a próg wejścia wygórowany. Sprawdźmy zatem, dlaczego prędkość dźwięku wywołuje tyle emocji.

Ile wynosi prędkość dźwięku?

Prędkość dźwięku jest różna dla różnych ośrodków i różnych warunków. Brzmi to dość naukowo, ale w sumie jest logiczne. Dźwięk rozchodząc się, nie porusza się w próżni, więc to, gdzie się rozchodzi, ma wpływ na to, jak się rozchodzi i jaka jest jego prędkość.

Potocznie, jeśli mówimy, że coś osiągnęło prędkości dźwięku, to zazwyczaj chodzi nam o prędkość obiektu poruszającego się w powietrzu atmosferycznym. Tutaj też musimy brać pod uwagę to, że powietrze powietrzu nierówne. Inaczej dźwięk będzie rozchodził się przy -20 stopniach Celsjusza, a inaczej przy 20 stopniach Celsjusza. Niewielki wpływ ma też wilgotność powietrza. No i nie zapominajmy o wysokości nad poziomem morza. W związku z tym trzeba było jakoś to uśrednić i ustandaryzować. Powstały nawet specjalne tabele informujące, jaka będzie prędkość dźwięku w określonych okolicznościach.

Nie przedłużając, w temperaturze 15 stopni Celsjusza i podczas lotu nad poziomem morza prędkość dźwięku wynosi 340 m/s, czyli 1225 km/h.

Prom Atlantis blisko prędkości dźwięku. Widoczny błok Prandtla-Glauerta. Źródło: Wikipedia

Bariera dźwięku. Co to jest?

To jest ta magiczna granica, którą przekraczają nieliczni. Gdy jakiś samolot przekracza prędkość dźwięku, to „łamie” barierę dźwięku. W trakcie tego procesu dochodzi do jednoczesnego zaistnienia zespołu zjawisk związanych ze zmianą charakterystyki lotu. Mówimy tutaj o takich kwestiach, jak: spadek współczynnika siły nośnej, wzrost oporu aerodynamicznego czy opór falowy.

Właśnie dlatego tylko nieliczne i najlepsze myśliwce są w stanie pokonać barierę dźwięku bez dopalaczy. A czym są dopalacze? Te z kolei są bezpretensjonalnym laniem paliwa w końcowej sekcji silnika odrzutowego po to, by lecieć szybciej, ale to temat na inny wpis, np. o silnikach odrzutowych.

Nie każdy samolot może, a tym bardziej nie każdy powinien, przekraczać barierę dźwięku. W trakcie tego procesu może dojść do poważnych uszkodzeń strukturalnych płatowca lub nawet całkowitego rozpadu maszyny. Wracając do prędkości dźwięku, ciekawym elementem związanym z prędkością dźwięku jest grom dźwiękowy, czyli sonic boom.

prędkość dźwięku
Przekraczanie bariery dźwięku czasem wiąże się z efektownymi zjawiskami. Źródło: U.S. Navy

Grom dźwiękowy, czyli sonic boom. Co to?

W skrócie to ten moment, kiedy wiesz, że awansowałeś do elitarnego klubu. Grom dźwiękowy powstaje po przekroczeniu prędkości dźwięku. Później to, że przyspieszamy, widać już tylko po wskazaniach przyrządów i szumie silnika. Można powiedzieć, że dźwięk zostaje w tyle, za nami. Dla zewnętrznego obserwatora najpierw pojawi się samolot, a dopiero potem będzie on w stanie go usłyszeć.

Trzeba dodać, że z tymi myśliwcami to nie jest taka prosta sprawa, gdyż generalnie mają zakaz latać nad naszymi głowami z taką prędkością. Sonic boom stał się na tyle uciążliwy dla normalnych zjadaczy chleba, że go zakazano. Czy na zawsze? NIE! Już trwają prace nad samolotami pasażerskimi, które znów będą latać z prędkością ponaddźwiękową i pracuje się nad sposobami zredukowania niepotrzebnych hałasów na niebie. Czyli na dziś trudno usłyszeć grom dźwiękowy, ale na szczęście jest i dobra wiadomość.

Grom dźwiękowy można również usłyszeć gdzie indziej. Wystarczy do tego bat (taki amerykański jak na rodeo) i wprawna ręka. Podczas solidnego trzaśnięcia batem jego część również przekracza barierę dźwięku i przy okazji powstaje mały grom dźwiękowy. Nie zapominajmy również o pociskach. One też poruszają się szybciej niż prędkość dźwięku. Trzeba tylko udać się na strzelnicę.

Liczba Macha, czyli prędkość dźwięku inaczej

Liczba Macha pozwala nam przedstawić prędkość dźwięku w prostszy sposób. Wartość liczby Macha wylicza się, dzieląc uzyskaną prędkość obiektu przez prędkość dźwięku. Musimy tylko pamiętać o tym, że prędkość dźwięku jest różna dla różnych ośrodków, o czym wspominaliśmy już wcześniej.

Jeśli obiekt (najczęściej jest nim samolot) porusza się z prędkością dźwięku, to mówimy, że leci z prędkością Mach 1, ale jeśli leci wolniej, możemy powiedzieć np. Mach 0,5. Z kolei jeśli leci szybciej, będzie to na przykład Mach 1,2 lub więcej itd..

Chuck Yeager prędkość dźwięku
Chuck Yeager jako pierwszy człowiek pokonał prędkość dźwięku. Źródło: Wikipedia

Kto po raz pierwszy przekroczył prędkość dźwięku w powietrzu?

Wszystkie dane na niebie i ziemi wskazują, że był to Amerykanin Chuck Yeager. 14 października 1947 roku zasiadł za sterami eksperymentalnego samolotu napędzanego silnikiem rakietowym. Yeager był wtedy pilotem doświadczalnym w randze kapitana w Siłach Powietrznych Stanów Zjednoczonych.

Maszyna testowa nazwana X-1 „Glamorous Glennis” była napędzana czterema silnikami rakietowymi. Samolot był eksperymentalny więc i start odbywał się w sposób nietypowy. X-1 wynoszony był w powietrze przez bombowiec B-29 i startował niczym pocisk rakietowy po odłączeniu się od nosiciela.

Zapas paliwa rakietowego pozwalał jedynie na bardzo krótki lot, po którego zakończeniu Yeager lądował niczym szybowcem na dnie suchego jeziora na pustyni Mojave, na którym urządzono pas do lądowania.

Prędkość dźwięku pobita na lądzie

Podróżowanie z prędkością dźwięku wydaje się nam czymś normalnym w przypadku samolotów, a co gdyby tak zrobić to samochodem? I ten wyczyn udał się człowiekowi i to ładnych parę lat temu. W 1997 roku kierowca testowy Andy Green zasiadł za kierownicą pojazdu ThrustSSC (Thrust SuperSonic Car). Próba odbyła się na pustyni Black Rock w stanie Nevada w USA, a grom dźwiękowy odczuwalny był w pobliskim miasteczku Gerlach.

Tak po prawdzie to ThrustSSC miał więcej wspólnego z samolotem niż z samochodem. Do jego napędu wykorzystano silniki z samolotów wielozadaniowych F-4 Phantom, a kierowcą był pilot Royal Air Force Andy Green.

Jako ciekawostkę możemy podać, że samochód legitymował się całkiem umiarkowanym 😉 spalaniem wynoszący 18 litrów na sekundę, a w przeliczeniu na znane nam wartości było to 4850 litrów na 100 kilometrów. Samochód po dziś dzień można obejrzeć w brytyjskim muzeum transportu w Coventry.

Mars
Prędkość dźwięku na innych planetach zależy od rodzaju atmosfery jaka na nich występuje. Źródło: NASA

Prędkość dźwięku na innych planetach

Zacznijmy od tego, że by prędkość dźwięku mogła zaistnieć, musi być jakaś atmosfera, jakiś ośrodek, w którym dźwięk będzie się poruszał. Jeśli dana planeta nie posiada atmosfery, jedyne co zaobserwujemy na niej to cisza.

Właśnie dlatego producenci z Hollywood robią nas trochę w konia. W kosmosie wybuch statku w trakcie spektakularnej walki pomiędzy siłami dobra i zła byłby bezdźwięczny, ale komu by się taki film podobał?

Zatem jeśli na jakieś plancie lub księżycu jest atmosfera (taka czy inna), to przy pomocy odpowiednich wzorów można wyliczyć prędkość dźwięku. Na przykład dla Venus prędkość dźwięku wynosić będzie około 410 m/s, a dla Tytana, największego księżyca Saturna zaledwie około 200 m/s (mierzone przy powierzchni).

Jaka jest maksymalna prędkość dźwięku?

Skoro prędkość dźwięku zależy od ośrodka, w którym się on przemieszcza, można określić jego maksymalną wartość dla różnych ośrodków. Przyjmuje się, że dla diamentu prędkość dźwięku wynosić będzie 18000 metrów na sekundę, a dla gumy to tylko 30 metrów na sekundę, ale ile wynosi wartość maksymalna?

W 2020 roku grupa naukowców ustaliła, że maksymalna teoretyczna prędkość dźwięku może wynosić 36 kilometrów na sekundę, czyli 36000 m/s. Obliczenia teoretyczne ustalono dla planety ziemi i warunków naturalnych dla niej występujących bazując na aktualnym stanie rozumienia otaczającego nas świata.

Rekord prędkości od kilkudziesięciu już lat należy do SR-71 Blackbird. Źródło: USAF

Jaki jest najszybszy samolot świata?

Odpowiedź zależy od tego jak ustawimy kryteria. Jeśli za samolot uznamy statek powietrzny, w którym siedzi pilot, a do jego napędu używany jest silnik zasysający powietrze, to rekord prędkości nadal należy do SR-71 Blackbird. Został on ustanowiony 28 lipca 1976 roku. Załoga samolotu w składzie kpt. Eldon W. Joersz (pilot) i maj. George T. Morgan Jr. (oficer obsługujący systemy zwiadowcze) osiągnęła prędkość 3529,6 km/h.

Jeśli założymy, że silnik napędzający samolot nie musi zasysać powietrza atmosferycznego, to rekord prędkości jest znacznie większy i wynosi 7270 kilometrów na godzinę. Ustanowił go maj. William J. Knight pilotując rakietowy, eksperymentalny samolot X-15A-2 3 października 1967 roku. Z człowiekiem na pokładzie szybciej poleciał już tylko prom kosmiczny.

Jeśli wyłączymy z równania człowieka, to najszybszym samolotem z silnikiem zasysającym powietrze atmosferyczne na potrzeby swej pracy jest X-43. Maszyną osiągnęła około 10800 km/h, a do próby doszło 16 listopada 2004 roku. Do napędu samolotu wykorzystano innowacyjny silnik scramjet, a program stanowił podglebie pod przyszłe bronie hipersoniczne.

Broń hipersoniczna, czyli wielokrotna prędkość dźwięku

Rakiety, pociski rakietowe, pociski balistyczne i inne tego typu śmiercionośne wynalazki z łatwością przekraczają prędkość dźwięku, ale z pewnością do uszu czytelnika dojść musiały informacje o broni hipersonicznej. Przez jakiś czas w temacie brylowali Amerykanie, ale było to 8 lat temu, za czasów X-51 Waverider, który osiągał Mach 5.

Potem z nieznanych przyczyn za oceanem zwolnili i głośno zrobiło się o Rosjanach z ich Ch-47M2 Kindżał. Nie dość, że lata i jest produkowany seryjnie, to jeszcze podwieszany pod standardowe samoloty znajdujące się w rosyjskiej flocie wojskowej. Jak nietrudno się domyślić w USA zaraz rozbrzmiały wszelkiej maści alarmy i doszło do przyspieszenia prac nad bronią hipersoniczną, więc na horyzoncie mamy kolejny wyścig zbrojeń.

Pamiętajmy bowiem o tym, że Chiny nie będą stały z boku i poza ujawnionym w 2019 roku DF-17 pracują też nad kolejnymi modelami. Skoro Chiny pracują nad taką bronią, to Indie nie mogą pozostać w tyle i po zbudowaniu odpowiedniego tunelu testowego usilnie pracują nad rodzimą konstrukcją. Inny „zaprzyjaźniony” sąsiad Chin, czyli Japonia, też łoży ogromne sumy na broń hipersoniczną. W przyszłości należy spodziewać się ciekawych informacji z Kraju Kwitnącej Wiśni. Na dokładkę jest też Korea Południowa, a s koro były Indie, to musi być Pakistan. Ot galimatias, ale w tym regionie niczego innego nie można się spodziewać.

Podsumowując, koncepcja zastosowania broni hipersonicznej na stałe zagościła na biurkach sztabowych i należy spodziewać się ciekawych informacje w tym obszarze już w najbliższych latach. Wróćmy jednak do prędkości dźwięku. Najlepiej takiej dla śmiertelników.

Jak niemal każdy możne przekroczyć prędkość dźwięku?

Oczywiste jest, że nie każdy z nas może wykonywać najlepszy zawód świata, którym jest bycie pilotem myśliwskim. W zasadzie pośród śmiertelników to tylko oni mogą swobodnie przekroczyć prędkość dźwięku. Podatnik daje samolot, zalewa bak, a na koniec wymaga od pilota, by ten upalał myśliwiec po niebie osiągając zawrotne prędkości. Czego chcieć więcej?*

Dla reszty z nas rozwiązaniem alternatywnym są Ci „źli” Rosjanie. W swej złości oferują loty dwuosobowymi wersjami swoich myśliwców. Podczas takiej symulowanej misji firma oferuje pasażerowi przedsmak pracy zawodowego pilota wojskowego. A dodatkowo może wzlecieć tak wysoko, że kosmos staje się już czarny, a krzywizna ziemi przestaje być tylko teorią z książek ze szkoły podstawowej. Niestety przedsięwzięcie to nie należy do tanich i rozliczane jest w twardej walucie. Na szczęście nie ma takiej sytuacji, której nie rozwiązałby odpowiednio duży słoik na moniaki.

To co? Zaczynacie zbieranie na lot, w którym pokonacie prędkość dźwięku? A może wolicie polatać dronami?

Źródła:
  • https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/mach.html
  • https://encyklopedia.pwn.pl/haslo/bariera-dzwieku;3874439.html
  • https://www.britannica.com/science/sound-barrier
  • https://www.scientificamerican.com/article/true-cause-of-whips-crack/
  • https://www.faa.gov/about/office_org/headquarters_offices/apl/noise_emissions/supersonic_aircraft_noise/media/BaltimorePublic%20Meeting-NASA.pdf
  • https://www.lockheedmartin.com/en-us/news/features/2016/webt-supersonic-flight-hush-sonic-boom.html
  • https://www.britannica.com/science/Mach-number
  • https://www.space.com/16709-breaking-the-sound-barrier.html
  • https://www.guinnessworldrecords.com/world-records/first-car-to-break-the-sound-barrier
  • https://www.transport-museum.com/visiting/thrustssc.aspx
  • https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0019103506003381
  • https://www.lpl.arizona.edu/~rlorenz/soundspeed.pdf
  • https://advances.sciencemag.org/content/6/41/eabc8662
  • https://airandspace.si.edu/stories/editorial/setting-records-sr-71-blackbird
  • https://www.guinnessworldrecords.com/world-records/fastest-speed-in-a-non-spacecraft-aircraft
  • https://www.guinnessworldrecords.com/world-records/fastest-aircraft-air-breathing-engine
  • https://www.defensenews.com/global/asia-pacific/2021/03/15/hypersonic-and-directed-energy-weapons-who-has-them-and-whos-winning-the-race-in-the-asia-pacific/
    * Pilotów myśliwskich gotujących się po przeczytaniu tego fragmentu uprasza się o wyrozumiałość. Wiemy, że Wasza praca to znacznie, znacznie więcej niż tylko zabawa przepustnicą i dziękujemy Wam za codzienną służbę!