Занимательное волноведение. Волнения и колебания вокруг нас

С земли взрывоподобные звуки слышны, когда пронзительно воющий самолет проносится, сопровождаемый ударными волнами высокого и низкого давления. За волной спереди тут же следует волна сзади (обычно оба «хлопка» разделяются слишком незначительным временным интервалом, чтобы их различить как отдельные звуки, если только самолет не летит высоко). Однако для пилота все выглядит иначе — развивая скорость, равную 1 Маха, он никогда не слышит «хлопка», поскольку фронт ударной волны всегда остается чуть впереди носа самолета. Пилот слышит «хлопок» ударной волны только тогда, когда форсирует скорость звука, то есть преодолевает звуковой барьер, который представляет собой всего-навсего ударную волну высокого давления впереди конусообразного носа. О барьере говорят потому, что необходимо значительное усиление тяги, чтобы пройти через эту область повышенного давления. Если скорость звука в воздушной среде, через которую идет самолет, равна 1 190 км/ч, увеличение тяги с 1 190 км/ч до 1 207 км/ч требует гораздо больших усилий, чем увеличение с 1 175 км/ч до 1 190 км/ч, поскольку в таком случае самолет идет со сверхзвуковой скоростью, превышая число Маха, равное 1, и вырывается за область высокого давления, являющуюся фронтом ударной волны. Когда пилот прорывается через звуковой барьер, область высокого давления проходит над кабиной — он слышит «хлопок».

Когда скорость самолета превышает скорость звука, фронт ударной волны из плоского диска становится конусообразным

С увеличением скорости (выше 1 Маха) расположение фронта ударной волны меняется. На скорости в 1 Мах фронт вытягивается перед самолетом наподобие гигантской «тарелки» высокого давления, прижатой к носу самолета; такая же «тарелка», только низкого давления, прижата к хвосту. При прорыве самолета через звуковой барьер обе «тарелки» преобразуются в конусы, тянущиеся от носа и хвоста самолета назад. На скорости в 2 Маха, в два раза превышающей скорость звука, эти конусы ударных волн принимают положение под углом в 45°. Если бы сверхзвуковой самолет несся с такой скоростью у вас над головой, вы услышали бы сверхзвуковой хлопок уже после того, как он пролетел над вами — конусы ударных волн дошли бы до вас с опозданием.

Когда воздух (или любая другая газообразная среда) сжимается, он нагревается, а когда расширяется — охлаждается. Вот почему порождаемая сверхзвуковым самолетом ударная волна иногда бывает видима как призрачное, неустойчивое облако — оно называется «воротником» или «яйцом» ударной волны. Поскольку за высоким давлением фронта ударной волны сразу следует область низкого давления, такое резкое снижение давления может охладить воздух — содержащийся в нем водяной пар тут же превращается в облако капелек. В зависимости от скорости, это сверхзвуковое облако принимает форму либо диска (на скорости в 1 Мах), либо конуса (на скорости, превышающей 1 Мах), «насаженного» на фюзеляж самолета.

При известной доле воображения облако можно сравнить с мятной подушечкой жевательной резинки, которую приносят в ресторане вместе со счетом (смотрите следующую страницу).

Звучание ударных волн на сверхзвуковой скорости также меняется — в зависимости от того, на какой высоте самолет летит. На больших высотах каждый конус ударной волны (передний и задний) к моменту достижения земли растягивается — звучат сильные, но глухие хлопки. Однако низколетящий самолет производит более высокие звуки, похожие на пару быстрых выстрелов или даже ударов кнута укротителя львов. (Если уж на то пошло, двух ударов, причем, скоординированных — укротители должны щелкать кнутами практически одновременно.) Но вне зависимости от того, глухие это удары или звонкие щелчки, за ударными волнами тут же следует оглушительный рев двигателей самолета.

* * *

Сравнение сверхзвукового самолета и кнута возникло не на пустом месте — в момент щелчка кончик кнута развивает сверхзвуковую скорость, рождающую ударную волну. Термины «удар пастуха» и «удар кучера» к приемам самозащиты никакого отношения не имеют. Так называются техники обращения с кнутом, при которых самый кончик (иначе — растреп) кнута рассекает воздух быстрее скорости звука, порождая щелчок ударной волны. Опытный пастух или кучер воспроизводит подобный удар с кажущейся для постороннего наблюдателя легкостью. Расслабленным движением кисти он посылает энергию в виде волны по веревке кнута и тут же дергает кнутовище на себя, усиливая напряжение. Волна, поначалу двигающаяся на малой скорости, под конец, проходя все сужающуюся веревку, разгоняется до сверхзвуковых значений. Возникает мощная ударная волна — резкий и оглушительный, как выстрел, удар кнута.

F/A-18 «Хорнет» (вверху) и «Супер Хорнет» (внизу) преодолевают звуковой барьер, пролетая через гигантские «мятные подушечки»