Fizika Supersonic Free Fall in dirka za izgradnjo mirnejšega Concordeja

Če hočete zgraditi raketo z drzno novo zasnovo, morate imeti način, da preizkusite njegovo strukturno celovitost brez namestitve motorja. Nimate zračnega tunela, vendar niste pripravljeni priznati. Razmišljate si: »Kaj je let brez pogona?« Nato odgovorite na svoje vprašanje: »Padanje«. Preprosto povedano, najlažji način letenja brez zagona je padanje. Vzemite prototip zelo visoko, ga spustite in dobili boste občutek njegove zmogljivosti pri hitrosti.

Najpomembnejši svetovni strokovnjak za natančno spuščanje je japonska agencija za raziskovanje vesoljske industrije ali JAXA, ki je v bistvu japonska različica NASA. Agencija skuša zgraditi praktično nadzvočno letalo, kar ni lahko. Podobna prizadevanja so v preteklosti ustvarjala povprečne izdelke, najbolj znano pa je Concorde.

Konkorde so se mučile s težavami, ki so drugim letalskim prevoznikom preprečevale, da bi sprejele enako obliko za lastno obrt. Eno največjih vprašanj je bilo prekomerno hrup. Izraz »zvočni razcvet« ni napačen pojem - zlom zvokovne pregrade je noro glasen fenomen. Proizvajalci so morali načrtovati letalo, da bi potnikom preprečili eksplozijo, letalski prevozniki pa ne bi mogli leteti nad letali, saj noben človek na tleh ne želi biti podvržen tako destruktivno glasnim zvokom. Cilj JAXE je ustvariti tišji nadzvočni potniški letalo. Preizkusila ga je s preskusi padca z eksperimentalnim modelom na Švedskem.

Kako za vraga to dela? V bistvu balon dvigne ravnino brez posadke - model JAXA's Silent SuperSonic Concept je približno 18,6 milj navzgor v zrak in ga preprosto spusti. Senzorji, pritrjeni na ravnino, merijo udarne valove, saj se letalo približa hitrosti do 1.39 mah v prostem padu.

Fizika nadzvočnega prostega padca se ne razlikuje toliko od tega, kako deluje objekt, ki se giblje hitreje kot zvok na vodoravni ravnini. Zrak se močno stisne pred ravnino, ki poplavi val visokega pritiska v vseh smereh. Ta šok se začne širiti po zraku, vendar se širi, ko se premika naprej, pri čemer postane proces zvočnega vala. To je glasna eksplozija, ki jo slišimo in imenujemo zvočni razcvet.

Da bi razumeli, kaj je posebno pri nadzvočni prostem padcu, bi morali podrobneje pogledati, na kaj se nanašajo številki Macha: razmerje med hitrostjo objekta in hitrostjo zvoka na določenem mestu. Hitrost zvoka je podvržena spremembam temperature in tlaka - na višjih legah se hitrost zvoka zmanjša, zato ni potrebno, da objekt potuje z nujno enako hitrostjo, da doseže Mach 1 ducat milj v zraku. na ravni morja. (Hitrost zvoka na morski gladini je približno 760 milj na uro).

Poleg tega je Mach 1 zelo nestabilno okolje zaradi udarnega vala, ki je nastal zaradi prekinitve zvočne pregrade. Tudi majhni gibi imajo lahko zelo močne fizične učinke na predmet. Najslabše je biti med 0,9 in 1,2 macha.

Torej, ko se objekt premika z nadzvočno hitrostjo v prostem padu, je v nenavadnem položaju, da pospeši hitreje, medtem ko se Machovo število povečuje počasneje. V nestabilnem Machovem območju se porabi več časa, kot če bi se gibalo po vodoravni ravnini. Večina letal je zasnovanih tako, da se premaknejo mimo Mach 1 in čim hitreje vstopijo v varno območje. Nekaj ​​takega ne morete preskusiti v poskusu prostega padca.

Hitrost je tudi višja zaradi upora. To se je zgodilo v verjetno najbolj znanem primeru, ko se objekt giblje hitreje kot zvok s pomočjo gravitacije: skok Felixa Baumgartnerja v letu 2012 s približno 23 milj navzgor v zrak, da bi postal prvi potapljač neba, ki bi prekinil zvočno pregrado brez uporabe zrakoplova. Ko je Baumgartner padel na Zemljo, je sčasoma prenehal pospeševati zaradi trka z molekulami zraka, s čimer je ustvaril »silo upora«, ki se je zgradila kot zračni upor, dokler ni postala enaka in nasprotna sili gravitacije. Na tej točki je Baumgartner dosegel maksimalno hitrost.

Dejansko, medtem ko bi večina objektov, ki dosežejo končno hitrost, preprosto ostala na konstantni hitrosti, se je Baumgartner dejansko začel upočasnjevati, saj se okolica v ozračju začne debelejši in debelejši, saj se objekt v prostem padu premika navzdol. Tako se začne hitrost terminalov zmanjševati, kar pomeni, da se je tudi Baumgartner začel upočasnjevati. Enako bi se verjetno zgodilo enemu od modelov Silent SuperSonic Concept Model, ki jih testira JAXA.

Znanost je, tako kot večina drugih stvari v življenju, hladnejša, ko je hitrejša.