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  • 雷人的音爆:天空巨响是哪儿来的?

    2016-11-29 03:29:00 来源: 科学松鼠会

    瘦驼

    松鼠名片

    果壳网主笔,不再瘦的科普作家,养细菌、养老鼠、养兔子、养狗、养孩子的蒙古兽医,奇怪生物鉴定爱好者,不拖延毋宁死的重型拖拉机。


    1947年10月14日上午,美国西部鸟不拉屎的莫哈维沙漠。这是晴朗的一天,除了风吹过裸露的山丘外,只有几条响尾蛇懒懒的在沙地上画着S。突然,一声巨响,真正的晴天霹雳,大地为之颤抖;然后不知道从哪儿冒出来一群奇怪的人,他们欢呼雀跃,把帽子扔上了天。不久之后,一架有着炮弹般外形的橙色小飞机翩然降落在一座荒漠中的机场,从驾驶舱里钻出来一位英俊的小伙子,此人名叫耶格尔(C. Yeager),因为这一声巨响永留史册——他是第一个把声音抛在身后的人,刚刚驾驶贝尔X-1型飞机超过了音速。


    查尔斯·E·耶格尔,第一个超过音速的人。图片来源:wired.com


    飞行中的X-1(原编号XS-1)。下面的图纸是第一次超音速飞行的数据记录纸带。图片来源:nasa.gov


    那这声巨响从何而来?让我们把视线从天空转向水面。


    把一粒石子投入水中,水面便会出现一圈圈涟漪,这是石子扰动水面形成的波。再看看航行的船,船头激起了倒V字型的楔形波纹。在空气中运动的物体与水上行船相似,只不过二维的水面变成了三维的空间,任何在空气中运动的物体都会扰动空气形成波


    这看起来没什么,但当物体运动的速度越来越快时,问题就出现了。空气中波的运动速度是有限的,也就是音速,当物体的速度达到音速时,它激起的那些波就被物体本身赶上了,堆积起来。换句话说,就是空气分子来不及逃开,被挤压在了一起


    喜欢玩儿水的朋友肯定对这种场景有所体会,水是温柔无形的,不过你如果想玩一下十米跳台,那可要小心,如果玩的不甚熟练,不小心肚皮接触了水面,温柔的水同样可以把你“揍”的七晕八素,肚皮青紫。如果玩儿的更惊险,来个悬崖跳水,如果姿势不当,那跟跳楼没什么区别。如果你没有类似的体验,可以找个风和日丽的周末,或者碰巧赶上商场大减价的时候,去下西单。远远的你看到有个美女或帅哥,你想快点儿追上她/他,于是你加快了脚步,很快你就发现人流成了你的阻碍,行人躲开的速度实在有限,你心急如焚,甩开膀子疾走。快到一定程度,你就发现自己再也无力提速了,因为人流变成了人墙。


    当飞机的速度接近音速,情况与之类似:一堵空气墙横在前面。无奈上火的你多么希望自己变身绿巨人,轰隆一声把人撞得满天飞,哪怕胳膊上挂着七八个潮男靓女也阻挡不住你追求爱情的心——恭喜你,你悟到了超音速的真谛。只要动力足够充沛,结构足够结实,外形足够合理,被空气墙裹住的飞机便会超过音速。此时被压缩到极致的空气被穿透,产生了激波


    激波是什么,很难详细解释,因为它涉及到“熵、信息、介质、场、紊流”等一系列玄而又玄的概念。你只需知道这激波可以造成压力的剧烈波动。这就是莫哈维沙漠上神秘巨响的来源,更通俗的名称叫做音爆。如果你有幸听过音爆,你会注意到它实际上是由紧邻的两声巨响组成的,这分别代表了空气被飞机前部撞开和空气在飞机尾部闭合形成的激波。当然,由于地面和建筑物的反射,那声音更像是打雷,绵延不绝。


    一架美国海军航空兵蓝天使飞行表演队的F/A-18战斗机低空超音速掠过海面。超音速形成的激波引起空气压力的迅速变化,导致水气凝结,形成所谓P-G奇点效应(Prandtl–Glauert singularity)。同时,冲击波在海面上犁出了一条白浪。图片来源:NASA.gov


    音爆的能量巨大,一架低空超音速飞行的战斗机产生的音爆足以震碎门窗玻璃——所幸,飞行员自己不会被震到,因为飞得比声音快嘛。有一个未经证实的传说,上世纪五六十年代一家开在美国某空军基地附近的养鸡场老板曾经投诉过空军,因为他的上万只鸡都被耍酷的飞行员用音爆震死了。前不久的以巴加沙冲突期间,以色列空军也曾经多次夜间对加沙城实施音爆袭扰,有报道称震坏了350个门窗,造成了儿童的恐慌。


    上图这架奇形怪状的丑飞机是美国诺斯罗普格鲁曼公司为研究改变飞机外形以减小音爆而设计的。图片来源:nasa.gov


    超音速飞机造成的音爆很难精确的计算,这跟飞机的外形,尺寸,飞行速度,飞行高度以及大气的特性有关。不过在上世纪70年代之前,人们不用太担心音爆的问题,因为只有少数军用飞机可以突破音速。然而随着著名的协和飞机的问世,音爆这东西突然变得敏感起来。因为协和是投入商业运行的两种超音速客机之一(另一种是前苏联的图-144,不过使用并不广泛)。


    英国航空的协和飞机。图片来源:wikipedia


    有人测量过,一架在 16000米高空以两倍音速飞行的协和客机产生的音爆对地面产生的压强高达100帕,相当于给一块一平米左右的窗玻璃上施加10公斤的力,玻璃哗哗直响就不难解释了。我们把压强换算成更直观的声强,100帕大约相当于133分贝,如果你恰好身处某重金属摇滚音乐会的大音箱旁边,就知道133分贝的声音会对 你产生什么样的影响了。因此协和被禁止在陆地上进行超音速飞行,这与高昂的营运费用一起直接断送了这种优雅的飞机的生命,2003年,所有的协和退出市场,从此天空中不再有超音速客机的身影。


    正是因为听到过音爆的人相对较少,所以它引发的恐慌事件也层出不穷。2006年4月26日,两架军用飞机超音速飞越美国亚利桑那州的尤马市,当地的911 报警电话瞬间被打爆,许多民众报告发生了爆炸或者是地震。其实如果你仔细听,音爆之后总是伴随着着飞机飞过的声音,本驼小时候一直以为这是飞机在投炸弹。


    如果你没有听过飞机的音爆,那也不要紧。其实音爆经常发生在公园里,很多老大爷喜欢抽陀螺健身,如果不是亲眼所见,你很难想象那清脆的啪啪声是小小皮鞭发出来的。其实,这啪啪啪声就是一次次小小的音爆,因为根据观测,抽鞭子的时候鞭梢的速度已经突破了音速,这也可能是人类最早突破音速的尝试。


    鞭子抽响的瞬间,就是超音速的瞬间。图片来源:Jefferson Taft 

    但人类几乎肯定不是最早的超音速物种。计算机和物理模拟认为,近2亿年前的迷惑龙Apatosaurus 神龙甩尾可能就超音速了……  

    (编辑:Ent)

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