Занимательное волноведение. Волнения и колебания вокруг нас

Вообще-то, пловцов, участвующих в соревнованиях, большими поклонниками ударных волн не назовешь. Спортсмены всеми силами стараются избежать встречи с ними, поскольку это пустая трата энергии. Вот почему вы никогда не увидите, как они лихо ныряют «бомбочкой», когда стартовый пистолет дает команду к заплыву на дистанцию в 200 м кролем на груди. (Хотя я с удовольствием посмотрел бы.) Наоборот, спортсмены стараются минимизировать всплеск на входе в воду, вытягивая руки в одну линию с телом, таким образом снижая сопротивление воды, а вместе с ним — образующиеся при всплеске ударные волны. Сокращение ударной волны ведет к сокращению потери энергии в воде. Однако в воде пловцов подстерегает другая столь же неприятная ударная волна — головная волна. Она возникает как раз перед головой отчаянно гребущего спортсмена.

Представляете, каким грохотом сопровождаются эти ударные волны?

Головная волна, говорите? А где же сильный удар и грохот, где всплеск, обыкновенный для ударной волны? Вообще, самыми очевидными источниками ударных волн считаются взрывы. Но они — не единственные: ударные волны порождаются и головными волнами, расходящимися спереди от двигающегося объекта — пловца, лодки на воде или даже объекта в воздушной среде, — пока этот объект двигается через среду с достаточной скоростью. Головные волны перерастают в ударные лишь в том случае, когда объект идет со скоростью не ниже обычной скорости распространения через данную среду волн — тогда они не успевают убраться с дороги и начинают толпиться, тесня друг дружку.

Если головная волна от пловца кажется вам для ударной волны слишком кроткой, что вы скажете по поводу других ударных волн — сверхзвукового хлопка в момент перехода самолета на сверхзвуковую скорость?

Это еще один пример ударной волны, но только в воздухе (мы слышим ее как звук), а не на поверхности воды. Однако принцип один и тот же. В небе самолет порождает волны давления спереди и сзади от себя, поскольку вызывает смещение воздушной среды — она вынуждена быстро смещаться перед самолетом и быстро возвращаться на первоначальное место позади него. Эти резкие перемещения воздуха вызывают перепады атмосферного давления, распространяющиеся вокруг самолета как волны давления. Волны давления идут в виде сферических слоев; некоторые расходятся от носа самолета, другие — от его хвоста. Они образуются независимо от скорости самолета. Хотя мы часто воспринимаем волны давления как звук, те, что расходятся от самолета, мы не слышим — рев двигателей стальной птицы их заглушает. Если только, конечно, самолет не летит со скоростью звука или быстрее — в таком случае мы попросту обречены на то, чтобы их услышать.

Формирование ударной волны при полете со скоростью звука

Когда сверхзвуковой самолет разгоняется до скорости звука — величины, обозначаемой числом Маха, равным 1,[41] — он двигается с той же скоростью, что и порождаемые им волны давления. Получается, волны у конического носа самолета не могут обогнать сам самолет — их скорости равны. Поэтому они громоздятся друг на друга — каждый пик давления накладывается на предыдущий. В итоге образуется головная волна огромной мощности. Когда самолет выходит на скорость звука, волны давления совмещаются, образуя головную ударную волну. Резко образовавшаяся ударная волна возросшего атмосферного давления растягивается перед носом самолета — головная волна при этом движется вместе с самолетом на скорости звука. Ударная волна упавшего атмосферного давления, — на самом деле не что иное, как кормовая корабельная волна, — идет от хвоста.