что значит преодолеть звуковой барьер
masterok
masterokМастерок.жж.рф
Хочу все знать
Необычную картину можно иногда наблюдать во время полета реактивных самолетов, которые словно выныривают из облака тумана. Это явление называется эффектом Прандтля-Глоерта и заключается в возникновении облака позади объекта, движущегося на околозвуковой скорости в условиях повышенной влажности воздуха.
Причина возникновения этого необычного явления заключается в том, что летящий на высокой скорости самолёт создаёт область повышенного давления воздуха впереди себя и область пониженного давления позади. После пролёта самолёта область пониженного давления начинает заполняться окружающим воздухом. При этом в силу достаточно высокой инерции воздушных масс сначала вся область низкого давления заполняется воздухом из близлежащих областей, прилегающих к области низкого давления.
Этот процесс локально является адиабатическим процессом, где занимаемый воздухом объём увеличивается, а его температура понижается. Если влажность воздуха достаточно велика, то температура может понизиться до такого значения, что окажется ниже точки росы. Тогда содержащийся в воздухе водяной пар конденсируется в виде мельчайших капелек, которые образуют небольшое облако.
По мере того, как давление воздуха нормализуется, температура в нём выравнивается и вновь становится выше точки росы, и облако быстро растворяется в воздухе. Обычно время его жизни не превышает долей секунды. Поэтому при полёте самолёта кажется, что облако следует за ним — вследствие того, что оно постоянно образуется сразу позади самолёта, а затем исчезает.
Существует распространённое заблуждение, что возникновение облака из-за эффекта Прандтля-Глоерта означает, что именно в этот момент самолёт преодолевает звуковой барьер. В условиях нормальной или слегка повышенной влажности облако образуется только при больших скоростях, близких к скорости звука. В то же время при полётах на малой высоте и в условиях очень высокой влажности (например, над океаном) этот эффект можно наблюдать и при скоростях, значительно меньших скорости звука.
Кликабельно 2100 рх
С “хлопком” происходит недоразумение, вызванное неверным пониманием термина “звуковой барьер”. Этот “хлопок” правильно называть “звуковым ударом”. Самолет, движущийся со сверхзвуковой скоростью, создает в окружающем воздухе ударные волны, скачки воздушного давления. Упрощенно эти волны можно представить себе в виде сопровождающего полет самолета конуса, с вершиной, как бы привязанной к носовой части фюзеляжа, а образующими, направленными против движения самолета и распространяющимися довольно далеко, например до поверхности земли.
Клкиабельно 2500 рх
Другими словами, если бы сверхзвуковой самолет с постоянной, но сверхзвуковой скоростью принялся летать над слушателем туда-сюда, то хлопок слышался бы каждый раз, спустя некоторое время после пролета самолета над слушателем на достаточно близком расстоянии.
Почему преодоление самолетом звукового барьера сопровождается взрывоподобным хлопком? И что такое «звуковой барьер»?
С «хлопком» происходит недоразумение, вызванное неверным пониманием термина «звуковой барьер». Этот «хлопок» правильно называть «звуковым ударом». Самолет, движущийся со сверхзвуковой скоростью, создает в окружающем воздухе ударные волны, скачки воздушного давления. Упрощенно эти волны можно представить себе в виде сопровождающего полет самолета конуса, с вершиной, как бы привязанной к носовой части фюзеляжа, а образующими, направленными против движения самолета и распространяющимися довольно далеко, например до поверхности земли.
Другими словами, если бы сверхзвуковой самолет с постоянной, но сверхзвуковой скоростью принялся летать над слушателем туда-сюда, то хлопок слышался бы каждый раз, спустя некоторое время после пролета самолета над слушателем на достаточно близком расстоянии.
А «звуковым барьером» в аэродинамике называют резкий скачок воздушного сопротивления, возникающий при достижении самолетом некоторой пограничной скорости, близкой к скорости звука. При достижении этой скорости характер обтекания самолета воздушным потоком меняется кардинальным образом, что в свое время сильно затрудняло достижение сверхзвуковых скоростей. Обычный, дозвуковой, самолет не способен устойчиво лететь быстрее звука, как бы его ни разгоняли, — он просто потеряет управление и развалится.
Для преодоления звукового барьера ученым пришлось разработать крыло со специальным аэродинамическим профилем и придумать другие ухищрения. Интересно, что пилот современного сверхзвукового самолета хорошо чувствует «преодоление» своим летательным аппаратом звукового барьера: при переходе на сверхзвуковое обтекание ощущается «аэродинамический удар» и характерные «скачки» в управляемости. Вот только с «хлопками» на земле эти процессы напрямую не связаны.
Облако возникает не в момент преодоления барьера, а в момент вхождения самолета в зону повышенной относительной влажности. Подобные эффекты видны и на дозвуковых скоростях.
Никакой фокусировки звука на земле (прихода звуковых волн от разных точек траектории) при сверхзвуковом полете не происходит. Это очевидно хотя бы из тех соображений, что хлопок слышится последовательно во всех точках поверхности под летящим самолетом. А по вашему объяснению получалось бы, что некоторым точкам на земле звука «не хватило бы», (точнее соответствующих участков траектории, которые служат источником звука).
Я сомневаюсь, что самолеты, которые летали низко над вами, двигались со сверхзвуковой скоростью. Запаздывание звука при полете на небольшой высоте будет наблюдаться и при дозвуковой скорости. Причин ту две. Во-первых, диаграмма направленности звука реактивного самолета. Вперед по курсу излучается очень небольшое количество звука. Основная мощность уходит назад от реактивной струи. Поэтому, когда самолет проходит над вами, звук очень резко усиливается. Настолько резко, что слабый шум, издаваемый приближающимся самолетом, просто меркнет по сравнению с шумом удаляющегося.
Как-то раз мне довелось стоять в конце взлетно-посадочной полосы, по которой на меня разгонялся ИЛ-86. Так вот пока он приближался, я практически не слышал звука двигателей, работающих на форсаже. Но как только он прошел на головой, звук достиг такой силы, что я непроизвольно упал на полосу, зажав уши руками. Как вы понимаете, никаким сверхзвуком тут и не пахнет.
Ну, а раскатистость сверхзвукового хлопка связана с дисперсией звуковых волн. Ударная волна только вблизи самолета имеет совершенно четкую границу. Чем дальше, тем больше ее энергия размывается. В некоторый момент она фактически перестает быть ударной волной и становится просто громким звуком.
Уважаемый И! Во-первых, никакого абсурда в том, что звук может двигаться не от самолета, а вслед за ним. Знак «минус» в этом случае означает лишь то, что звук в тыловой стороне изменил направление движения. До этого момента он имел направление противоположное направлению движения самолета. Затем стал двигаться в НАПРАВЛЕНИИ движения самолета. Конечно, это сточки зрения стороннегт наблюдателя.
Во-вторых, физическая природа явления проста, и заключается в том, что поскольку ЗВУК ПОРОЖДАЕТСЯ ВИБРИРУЮЩЕЙ ОБОЛОЧКОЙ САМОЛЕТА, то при его разгоне каждая следующая волна звука просто обязана лететь быстрее на величину приращения скорости самолета. Но продолжаться это может только до того момента, когда скорость самолета достигнет, а затем превысит скорость, с которой звук может распространяться в воздухе, т.е. достигнет максимальной скорости, с которой молекулы и атомы воздуха могут колебаться, передавая звук.Эта скорость равна так называемой тепловой скорости молекул, т.е. порядка 465 м/с. А она, как видите, больше той, которую определили для непожвижного источника звука: 330 м/с.
Спасибо за внимание.
Уважаемый Андрей! Еще раз обращаю Ваше внимание на механизм образования звука. Согласитесь, что звук порождается колебанием оболочки звучащего тела, в данном случае самолета. Скорость распространения звука определяется максимальной линейной скоростью колеблющейся оболочки, которую получают окружающие звучащий корпус молекулы и атомы воздуха. Согласитесь также, что при разгоне корпус самолета кроме этой, назовем ее начальной скоростью, приобретает добавочную, определяемую ускорением самолета. Именно поэтому каждая следующая звуковая волна отлетает от самолета со скоростью, большей на величину приращения скорости самолета.
Что касается величины тепловой скорости молекул, см. справочник Детлаф, Яворский по физике. Не помню страницу, но это в разделе аэродинамики.
Как мне кажется, автор объяснил именно первый феномен. Движение на дозвуковой скорости: звук намного опережает самолет и возрастает по мере приближения пропорционально расстоянию, в момент прохождения над слушателем звук имеет максимальную амплитуду.
Движение на сверзвуке: перед самолетом звука нет, в момент проходжения конуса звука над слушателем, последнему кажется что звук от 0 мгновенно возрос до громкости работающей турбины. Отсюда эфект удара.
Что касается момента преодоления скорости звука, то у меня объяснений удару нет. Не то образование.
Это лишь мое мнение.
Здесь необходимо пояснить понятие ПРИСОЕДИНЁННАЯ масса воздуха.
С этой целью полезно окрыть второй том «Механики сплошной среды» академика АН СССР Леонида Ивановича Седова. Применительно к шару,на странице 187 этого тома читаем:
«Шар в жидкости будет двигаться под действием некоторых сил так же, как он двигался бы в пустоте, если бы его масса М изменилась на м. Величина м называется ПРИСОЕДИНЁННОЙ массой шара.»
На субатомном уровне понятие ПРИСОЕДИНЁННАЯ масса имеет более глубокое происхождение.
Открываем книгу «Современная физика» профессора физики Корнельского университета (США) Р.Спроула на стр.28 и читаем :
Упрощённое описание этого сложного термодинамического процесса предполагает и его более фундаментальное описание, вскрывающее многомерную(спектральную) структуру мирового пространства.
См.http://yvsevolod-26.narod.ru/index.html
Всеволод Сергеевич Ярош
Могу подытожить весь форум как человек профессионально связанный с авиацией. Сам учил в бурсе аэродинамику, и конусы Маха видел на экспериментальных установках своими глазами.
Вся аэродинамика условно делится на три диапазона скоростей:
-низкие дозвуковые скорости.Газ при обтекании тел ведет себя как несжимаемая жидкость.Обтекание ламинарное при низких числах Рейнольдса (число Рейнольдса (Re)- отношение сил инерции к силам вязкости) и турбулентное при Re,превышающем некоторую критическую величину.
-высокие дозвуковые скорости.Картина обтекания принципиально меняется.Газ нельзя рассматривать,как несжимаемую жидкость.Несмотря на движение тела сквозь газ с дозвуковой скоростью, возникают области со свехзвуковыми скоростями. Эпюра давлений существенно меняется,что приводит к появлению неприятных явлений: затягивание в пикирование,снижение эффективности или даже реверс органов управления,иногда возникновение «голландского шага» (раскачивание по рысканию и крену) и др.
Всё-таки, уважаемые, какая теория «хлопков» правильна?
«Другими словами, если бы сверхзвуковой самолет с постоянной, но сверхзвуковой скоростью принялся летать над слушателем туда-сюда, то хлопок слышался бы каждый раз, спустя некоторое время после пролета самолета над слушателем на достаточно близком расстоянии.»
Насколько я понимаю, здесь говориться о практически мгновенном повышении громкости звука _работающего двигателя_ пролетающего самолета, а не о разных звуковых эффектах, появляющихся при преодолении «звукового барьера», а также при движении с сверхзвуковой скоростью. К слову, об этих эффектах в статье фактически ничего не сказано.
Прочитал всё, что написано в постах по этой теме. От разнообразия теорий крыша едет. Если всем можно, то почему мне нельзя! Поэтому разрожусь и я своей теорией.
Каждый свою идею считает верной. Я в этом не исключение. Правда, я, по-видимому, считаю так пока один. Но если Вы, уважаемый читатель, доберётесь до конца этого моего довольно длинного сообщения, то, может быть (даже, скорее всего), нас будет уже двое!
Обещаю не злоупотреблять Вашим терпением и не грузить Вас всякими «самолётами, которые своим носом раздвигают молекулы воздуха» или «проколотыми конусами Маха». Не буду пугать и числами Рейнольдса, и аэродинамическими трубами. А просто приглашу Вас выйти со мной в чистое поле и там послушать, как летают самолёты.
А теперь, уважаемый читатель, выйдем в поле и послушаем, как летают самолёты. А своими наблюдениями поделимся с другими посетителями сайта, а заодно и с г.Венедюхиным. Итак, в поле!
А теперь «послушаем» два самолёта: один, летящий с существенно дозвуковой скоростью, и другой, например, со скоростью в два раза превышающий скорость звука.
Я думаю, теперь Вам понятно, почему возникает «звуковой удар».
Но это, так сказать, только первое приближение. Потому что мы, по правде говоря, рассмотрели самолёт, пронёсшийся в нескольких сантиметрах у нас над головами, и скорость которого относительно нас с Вами на всём продолжении полёта от Дальнего Муракина до точки наблюдения была постоянна.
Если Вы терпеливо дочитали до этого места, то я очень рад. Надеюсь, нас уже двое, тех кто знает, почему полёт сверхзвукового самолёта сопровождается рёвом и грохотом.
И, самое интересное, чтобы это узнать нам не потребовалось никаких аэродинамических труб, продырявленных конусов Маха и корабликов на воде.
А понадобился только закон сохранения энергии, о котором каждому посетителю этого сайта предлагаю просто всегда помнить.
А теперь можем и перейти к тактике сверхзвукового полёта и необходимым характеристикам самолёта для эффективного подавления пехоты противника.
Вы очень много нафантазировали, но истины не достигли. Во-первых, совершенно не учли эффект Доплера. Во-вторых, скачок уплотнения имеет структуру, очень похожую на структуру ударной волны при взрыве.
А всего-то нужно взять сверхзвуковую аэродинамическую трубу, и вместо выковыривания из носа новых идей, просто убедиться, что теоретические выкладки Жуковского и Чаплыгина до сих пор (уже больше ста лет) весьма точно выполняются. А они исходили из молекулярно-кинетической теории газов.
Поскольку для рассуждения я использовал рисунок, а он не прикрепляется к сообщению, то решил просто отправить на мыло в надежде, что его вставят в блок обсуждений.
Начальные условия. Самолёт летит со сверхзвуковой скоростью из точки А в точку В. Фронт распространения фронта звуковой волны ОВС. Посмотрим, что происходит, когда фронт звуковой волны придёт в точку О, где находится человек. Звук одновременно приходит в точку О из места, когда самолёт был в точке А и из точки В. Почему? Находясь в точке А самолёт успевает пролететь в точку В за то время, пока звук идёт из точки А в точку О. Учитывая, что 2 звуковые волны интерферируют, звуковое давление фронта будет значительно. В этом и состоит звуковой эффект в виде хлопка.
Что происходит во время преодоления звукового барьера самолетом
Первый пилот, сумевший преодолеть звуковой барьер — Чарльз Йегер, совершивший полет на самолете Bell X-1 осенью 1947 года. В Советском Союзе данный подвиг повторили летчики Федоров и Соколовский, пилотировавшие истребитель ЛА-176 на высоте более 15 тысяч метров. Сверхзвуковая скорость судна составляла 1104 км/час, на которой он мог пройти порядком тысячи километров без дозаправок. Число маха — это отношение скорости звука к скорости, с которой передвигается летательный аппарат. Названо в честь известного австрийского физика Эрнста Маиевского, изучавшего причины возникновения ударных волн и аэродинамические процессы при сверхзвуковом передвижении тел.
Что такое звуковой барьер?
Самолёт FA-18 Hornet, движущийся с околозвуковой скоростью
Потребность в преодолении звукового барьера возникла в годы Второй мировой войны, когда многие летчики замечали, что при увеличении скорости истребителя ухудшается его управляемость и ряд других важных характеристик, таких как корректировка элеронов и воздушных рулей. Пилоты самолетов поршневого типа, предпринимавшие попытки развить предельные скорости, неизбежно сталкивались с волновым кризисом, выбраться из которого без пикирования не представлялось возможным.
Значимую роль в задаче объяснения и преодоления звукового барьера сыграли научные работы, посвященные исследованиям сверхзвукового движения газа.
Величина сверхзвуковой скорости полета
Пока самолет передвигается с небольшой скоростью (до 420 км/час) на высоте до 3 тысяч метров, вычислить точные параметры полета довольно просто. Однако в случае преодоления звукового барьера самолетом падает не только температура за бортом, но и плотность воздушной среды. Когда приборы демонстрируют эквивалентные показания скорости на высоте 2 тысячи метров и 10 тысяч метров, в условиях разреженного воздуха реальная скорость будет больше.
Величина сверхзвуковой скорости полета
На скорости звука воздушное пространство перестает быть однородным и сильно затрудняет передвижение низкоскоростных летательных аппаратов. Создается среда, в которой возникают скачки уплотнения и изменение характера обтекания самолета, что создает предпосылки для волнового кризиса. Скачок уплотнения увеличивает энтропию газа, которая уменьшается в процессе прохождения звукового барьера.
Особенности сверхзвукового полета
Переход на сверхзвуковую скорость сопровождается ударной волной, возникающей из-за разницы давления. В случае, если она будет длиться больше секунды, фюзеляж судна может не выдержать подобных нагрузок, что приведет к его крушению. Если посмотреть на преодоление самолетом звукового барьера на видео, то можно заметить, что ударной волной разрушаются практически все стекла жилых домов, расположенных на поверхности земли.
После того как американский летчик Чарльз Йегер сумел впервые преодолеть звуковой барьер, он был поражен воцарившейся в кабине самолета «божественной тишиной». В момент, когда стрелке махметра удается перевалить за отметку 1.0, звуковое давление внутри судна заметно уменьшается. Однако повышается риск деформации фюзеляжа и других частей летательного аппарата.
На показатели энергетики (интенсивности) скачка уплотнения оказывают влияние условия окружающей среды, конструктивные особенности самолета и скорость его передвижения. Пилотам гиперзвуковых пассажирских лайнеров «Concorde» и «ТУ-144» было дозволено преодолевать звуковой барьер исключительно над поверхностью океана в воздушном пространстве, превышающем на несколько тысяч метров высоту передвижения стандартных летательных аппаратов гражданской авиации.
Что происходит с самолетом во время преодоления звукового барьера?
Что происходит с летательным аппаратом при достижении скорости звука? Начинается образование ударных волн, которые появляются в хвостовой части самолета, в задней и фронтальной кромке, а также на острие фюзеляжа. Скачок уплотнения обладает очень малой толщиной, а фронт ударной волны отличается кардинальными изменениями, происходящими со свойствами потока. Его скоростные показатели снижаются по отношению к телу, и скорость приобретает свойства дозвуковой. Кинетическая энергия частично преображается в газовую (внутреннюю).
Хлопок сверхзвукового самолета представляет собой «звуковой удар», который возникает из-за скачков давления воздуха. Хлопок появляется в результате прохождения основной волны и воспринимается слушателем каждый раз, когда самолет пролетает над его головой.
Масштаб подобных изменений прямо пропорционален скорости гиперзвукового потока. Число маха в данном случае превышает 5, а температурные показатели серьезно повышаются, что выступает причиной ряда проблем для летательных аппаратов, передвигающихся на сверхзвуковых скоростях. Повреждение термозащитных оболочек спровоцировало крушение многоразового космического транспортного корабля NASA под названием «Columbia» в 2003 году. Шаттл входил в земную атмосферу для совершения посадки и был поврежден ударной волной высокой силы.
Российский пассажирский сверхзвуковой самолет
Первый пассажирский самолет, который преодолел звуковой барьер, — ТУ-144, созданный инженерами из конструкторского бюро Туполева. Для преодоления звукового барьера лайнер был выполнен в форме бесхвостового низкоплана, оснащенного дополнительными силовыми установками. ТУ-144 был лишен привычных для летательных средств предыдущего поколения закрылков и предкрылков, а переход на гиперзвуковой режим осуществлялся благодаря сложной процедуре перераспределения топлива в задние центровочные баки.
Сверхзвуковой высотный бомбардировщик Валькирия
Без затруднений преодолевает звуковой барьер высотный бомбардировщик «Валькирия» XB-70, развивающий скорость свыше трех махов (3673 км/час) и поднимающийся на высоту свыше 20 тысяч метров. Для передвижения на гиперзвуковой скорости конструкторы были вынуждены снизить взлетную массу, а также перевести самолет на пентаборан (бороводородную топливную смесь), обладающую повышенной энергией сгорания. Бомбардировщик представляет собой «бесхвостку», выполненную из высокопрочной инструментальной стали.