9-3 Supersonický pohyb a nárazové vlny

9-3 Supersonický pohyb a nárazové vlny

Ultrazvukové vlny nazývajú aj ultrasonickými vlnami. Prívlastok „ultrasonický“ nesmieme zameniť so „supersonickým“. O pohybe nejakého telesa povieme, že je supersonický, ak sa v nejakom prostredí pohybuje rýchlejšie, ako ním vybudené zvukové vlny. V kvapalnom prostredí sa nemôže pohybovať nič príliš rýchlo, a ani najgeniálnejší konštruktéri nevedeli splniť svoj sen vytvoriť ponorku, ktorá by sa dokázala vo vode pohybovať rýchlejšie, ako zvuk. Supersonické problémy sa obmedzujú prakticky na lietadlá a rakety, ktoré sa pohybujú vo vzduchu, prekračujúc rýchlosť zvuku v ňom. V tomto prípade pohybujúce sa telesá nasádzajú na seba vzruchy – alebo vlny – rýchlejšie, než by tie mali možnosť sa im dostať z cesty; to vytvára určitú oblasť, v ktorom sa sústreďujú vzruchy, nárazovú vlnu.

Nárazové vlny dokážeme skúmať podstatne jednoduchšie a rukolapiteľne, ak si pozrieme čelné vlny lode, ktorá pláva rýchlejšie, ako ním vytvorené vlny ma povrchu vody. Takú loď vidíme na obrázku 9.2. Nech loď postupuje rýchlosťou vl, a kým sa dostane od bodu A k bodu C, ním vytvorené vlny v A sa rýchlosťou vv dostanú k bodu A′. Podobne, vlny vytvorené v B sa dostanú v tom istom okamihu do bodu B′ a tak ďalej: medzi A a C sme nakreslili ku každému bodu polohu vĺn, kam sa až dostali do okamihu, než loď došla k bodu C. Čelná vlna a smer postupu lode uzatvárajú uhol α, ktorého hodnota závisí od vzťahu medzi rýchlosťou vĺn a rýchlosťou lode:

Ako príklad zoberme torpédoborec, ktorý postupuje rýchlosťou 20 uzlov a rýchlosť povrchových vĺn, ktoré vytvára, je 8 uzlov. (Nakoľko je rozhodujúci len pomer rýchlostí, tie môžeme počítať v ľubovoľných, ale rovnakých, jednotkách: mimochodom 1 uzol = 1 námorná míľa za hodinu = 1,151 míľa za hodinu = 1,855 kilometrov za hodinu = 0,5 metra za sekundu.) Pre uhol, ktorý uzatvára smer pohybu torpédoborca a vlnová „fronta“ vytvorená jeho čelom

Lietadlo, ktoré letí vo vzduchu rýchlejšie, než ním vytvorená zvuková vlna, vytvára vo vzduchu podobný jav. Tu sa však namiesto vlnovej fronty v tvare V na hladine vody vzniká obrovský kužeľ, nakoľko zvukové vlny vytvárané lietadlom sa šíria vo všetkých smeroch (pozri obrázok 9.3). Na povrchu kužeľa, kde zvukové vlny si sadajú na seba, je veľký rozdiel v tlaku. Keď tento kužeľ (po fyzikovi Ernstovi Machovi ho nazývajú aj Machov kužeľ) dorazí k nejakému domu, tak počuť hluk pripomínajúci hrmenie (jav poznáme ako výbuch zvuku, či zvukový tresk, či cudzím slovom aerodynamický tresk), a môže byť tak silný, že sa polámu sklá v oknách. Zvukový výbuch je častý jav v takých oblastiach, kde lietajú supersonické lietadlá.

Vrcholový uhol kužeľa, α obdržíme rovnako, ako v prípade čelných vĺn lode

Supersonická rýchlosť sa často udáva pomocou Machovho čísla², čo je jednoducho pomerom rýchlosti lietadla a rýchlosti zvuku. Napríklad Machovo číslo 1,5 znamená, že lietadlo letí jeden aj pol krát rýchlejšie, ako zvuk. Machovo číslo, bez znalosti ďalších údajov sa nedá jednoducho prepočítať na, dajme tomu km/h, nakoľko rýchlosť zvuku – v prvom rade v závislosti od teploty – je premenlivá. Napríklad v horúci letný deň nad povrchom zeme predstavuje 1 mach (rýchlosť zvuku) 1200 km/h, avšak vo výške 9000 metrov – kde teplota môže byť aj − 60∘C – len 1000 km/h. Ak rýchlosť lietadla, alebo rakety udáme pomocou Machovho čísla, potom sin ⁡<!-- FUNCTION APPLICATION --> α = 1 Ma.