Фізика надзвукового вільного падіння та гонка для побудови більш спокійного Конкорд

Якщо ви хочете побудувати ракету зі сміливим новим дизайном, ви повинні мати спосіб перевірити його структурну цілісність без установки двигуна. У вас немає аеродинамічної труби, але ви не готові поступитися. Ви думаєте про себе: “Що таке політ без руху?” Тоді ви відповісте на своє власне запитання: “Падіння”. Простіше кажучи, найпростіший спосіб полетіти без запуску - опуститися. Візьміть прототип дуже високим, скиньте його, і ви отримаєте відчуття його продуктивності на швидкості.

Найбільшим у світі фахівцем у галузі прецизійного зниження є Японське агентство аерокосмічних досліджень, або JAXA, що в основному є японською версією NASA. Агентство намагається побудувати практичний надзвуковий літак, що непросто. Подібні зусилля в минулому створювали посередні продукти, найвідоміше Конкорд.

Конкорд потерпав від проблем, які перешкодили іншим авіалайнерам прийняти такий же дизайн для власного ремесла. Одним з найбільших проблем був надмірний шум. Термін "звуковий бум" не є неправильним - порушення звукового бар'єру є шалено яскравим явищем. Виробникам довелося розробити літак, щоб тримати пасажирські голови від вибуху, і авіалайнери не могли літати літаком над землею, оскільки жодна людина на землі не хоче піддаватися таким руйнівним гучним звукам. Мета JAXA - створити тихий надзвуковий пасажирський літак. І його тестування через падіння тестів з експериментальною моделлю в Швеції.

Як це працює? В основному, повітряна куля піднімає безпілотну модель літака - концептуальну модель Silent SuperSonic компанії JAXA, розташовану на відстані 18,6 миль у повітрі, і просто скидає її. Датчики, прикріплені до площини, вимірюють ударні хвилі, оскільки площина наближається до швидкості до 1,34 Маха у вільному падінні.

Фізика надзвукового вільного падіння не є тим, що відрізняється від того, як діє об'єкт, що рухається швидше, ніж звук на горизонтальній площині. Повітря сильно стискається перед площиною, що виливає хвилю високого тиску у всіх напрямках. Ця ударна хвиля починає поширюватися по повітрю, але поступово слабшає, коли рухається далі, стаючи звуковою хвилею в процесі. Це гучний вибух, який ми чуємо і називаємо звуковим бумом.

Щоб зрозуміти, що є особливим щодо надзвукового вільного падіння, ми повинні більш детально розглянути, на що саме відносяться числа Маха: співвідношення швидкості об'єкта до швидкості звуку в певному місці. А швидкість звуку підлягає зміні температури і тиску - на більш високих висотах швидкість звуку зменшується, тому об'єкт не повинен подорожувати обов'язково на одній і тій же швидкості, щоб досягти Маха 1 на десяток кілометрів у повітрі. робить на рівні моря. (Швидкість звуку на рівні моря становить близько 760 миль на годину).

Крім того, Mach 1 є надзвичайно нестабільним середовищем завдяки ударній хвилі, що утворюється при порушенні звукового бар'єру. Навіть невеликі рухи можуть мати дуже сильний фізичний вплив на об'єкт. Найгірше місце в основному знаходиться між 0,9 і 1,2 Маха.

Тому, коли об'єкт рухається на надзвукових швидкостях у вільному падінні, він знаходиться в незвичайному положенні, прискорюється швидше, а число Маха збільшується з меншою швидкістю. Більше часу витрачається в нестабільній зоні Маха, ніж якщо б він рухався по горизонтальній площині. Більшість площин призначені для переміщення за Мах 1 і входити в безпечну зону якомога швидше. Не можна перевірити щось подібне в експерименті вільного падіння.

Швидкість також вершина тому, що тягнуться. Саме це трапилося в, мабуть, найвідомішому прикладі об'єкта, що рухається швидше, ніж звук гравітацією: стрибок Фелікса Баумгартнера в 2012 році з приблизно 23 миль у повітря, щоб стати першим дайвером неба, який зламав звуковий бар'єр без використання літака. Коли Баумгартнер впав на Землю, він врешті-решт припинив прискорюватися через зіткнення з молекулами повітря, створивши «силу тяжіння», що накопичувалася як повітряний опір, доки вона не стала рівною і протилежною силі тяжіння. У цей момент Баумгартнер досяг максимальної швидкості.

Насправді, хоча більшість об'єктів, що досягають кінцевої швидкості, просто залишаться на постійній швидкості, Баумгартнер фактично почав сповільнюватися, оскільки навколишнє середовище починає ставати товщі і товщі, оскільки об'єкт у вільному падінні рухається вниз. Таким чином, швидкість терміналу починає зменшуватися - тобто Баумгартнер також почав сповільнюватися. І те ж саме, мабуть, трапиться з однією з літаків концептуальної моделі Silent SuperSonic, що тестує JAXA.

Наука, як і більшість інших речей у житті, крутіше, коли її швидше.