Viteză supersonică

Viteza supersonică este viteza unui obiect care depășește viteza sunetului (Mach 1). Pentru obiectele care se deplasează în aer uscat la o temperatură de 20 °C la nivelul mării, această viteză este de aproximativ 343,2 m/s. Vitezele mai mari de cinci ori viteza sunetului (Mach 5) sunt adesea denumite hipersonice. Zborurile în timpul cărora doar unele părți ale aerului care înconjoară un obiect, cum ar fi vârfurile palelor rotorului, ating viteze supersonice se numesc „transsonice”. Aceasta se întâmplă de obicei undeva între Mach 0,8 și Mach 1,2.

Sunetele sunt vibrații care se deplasează sub formă de unde de presiune într-un mediu elastic. Obiectele se mișcă cu viteză supersonică atunci când obiectele se mișcă mai repede decât viteza cu care sunetul se propagă prin mediu. În gaze, sunetul se deplasează longitudinal cu viteze diferite, în principal în funcție de masa moleculară și temperatura gazului, iar presiunea are un efect redus. Deoarece temperatura și compoziția aerului variază semnificativ în funcție de altitudine, viteza sunetului și numărul Mach pentru un obiect în mișcare constantă se pot modifica. În apă la temperatura camerei viteză supersonică înseamnă orice viteză mai mare de 1440 m/s. În solide, undele sonore pot fi polarizate longitudinal sau transversal și pot avea viteze mai mari.

Ruperea supersonică este formarea fisurilor mai rapidă decât viteza sunetului într-un material fragil.

Vechea semnificație

Cuvântul „supersonic” provine din cuvintele latine super = deasupra și sonus = sunet, care împreună au semnificația de mai rapid ca sunetul.

La începutul secolului al XX-lea, termenul „supersonic” era folosit ca adjectiv pentru a descrie sunetul a cărui frecvență este mai mare decât cea audibilă de către auzul uman normal. Termenul modern pentru acest sens este „ultrasonic”.

Obiecte supersonice

Vârful unui bici este în general văzut ca primul obiect produs de om care a atins viteza sunetului. Această acțiune are ca rezultat „pocnetul” său caracteristic, care este de fapt un slab bang sonic. Primul bang sonic creat de om a fost probabil cauzat de o bucată de pânză obișnuită, ceea ce a dus la crearea biciului.^[3] Unda care se deplasează de-a lungul biciului este cea care determină vârful să atingă viteze supersonice.^[4]^[5]

Majoritatea gloanțelor de arme de foc moderne sunt supersonice, proiectilele putând avea viteze care depășesc Mach 3.^[6]

Majoritatea navelor spațiale sunt supersonice cel puțin în timpul unor porțiuni ale reintrării lor în atmosferă, deși efectele asupra navei spațiale sunt reduse datorită densității scăzute ale aerului. În timpul ascensiunii, vehiculele de lansare în general evită să devină supersonice sub 30 km pentru a reduce rezistența la înaintare a aerului.

Viteza sunetului scade întrucâtva odată cu altitudinea, din cauza temperaturilor mai scăzute întâlnite acolo (de obicei până la altitudinea de 25 km). La altitudini și mai mari, temperatura începe să crească, odată cu creșterea corespunzătoare a vitezei sunetului.

Când un balon umflat se sparge, bucățile rupte se contractă cu viteză supersonică, ceea ce contribuie la zgomotul ascuțit și puternic al pocniturii.

Vehicule supersonice terestre

Până în prezent, un singur vehicul terestru a mers oficial cu viteză supersonică, ThrustSSC. Vehiculul, condus de Andy Green, deține recordul mondial de viteză terestră, atingând la 15 octombrie 1997 o viteză medie în cele două curse dus-întors de 1228 km/h.

Proiectul Bloodhound LSR avea în vedere o încercare de a stabili în 2020 recordul la Hakskeenpan, în Africa de Sud cu o combinație de avion cu reacție și autovehicul hibrid, propulsat de o rachetă. Scopul era de a doborî recordul existent, apoi de a face alte încercări în timpul cărora membrii echipei sperau să atingă viteze de până la 1600 km/h (1000 mile/h). Inițial proiectul a fost condus de Richard Noble, care a fost și liderul proiectului ThrustSSC, însă, din cauza unor probleme de finanțare, în 2018 echipa a fost cumpărată de Ian Warhurst și redenumită Bloodhound LSR. Ulterior, proiectul a fost amânat pe termen nelimitat din cauza pandemiei de COVID-19, iar vehiculul a fost scos la vânzare.

Zborul supersonic

„Breaking the Sound Barrier” (1947), film promoțional al USAF despre Bell X-1 – primul avion supersonic

Sursa sonoră se deplasează cu o viteză de 1,4 ori mai mare decât viteza sunetului (Mach 1,4). Deoarece sursa se mișcă mai repede decât undele sonore pe care le creează, aceasta se află în vârful frontului de undă care avansează.

Totuși, în aplicații practice o aeronavă supersonică trebuie să funcționeze stabil atât în zbotul subsonic, cât și în cel supersonic, prin urmare designul aerodinamic este mai complex. Majoritatea avioanelor de vânătoare moderne sunt aeronave supersonice. Nicio aeronavă de pasageri modernă nu este capabilă de viteză supersonică, dar au existat avioane supersonice de pasageri, și anume: Concorde și Tupolev Tu-144. Atât aceste aeronave de pasageri, cât și unele avioane de vânătoare moderne sunt, de asemenea, capabile de supercroazieră^⁠(d), o situație de zbor supersonic susținut fără utilizarea postcombustiei. Datorită capacității sale de a zbura supersonic timp de câteva ore și a frecvenței relativ ridicate de zbor de-a lungul mai multor decenii, Concorde a petrecut cu mult mai mult timp zburând supersonic decât toate celelalte aeronave la un loc. De la ultimul zbor de retragere al Concorde, din 26 noiembrie 2003, nu au mai rămas aeronave supersonice de pasageri în serviciu, deși Boom Overture ar putea reintroduce zborul supersonic în viitor, dacă va fi finalizat. Unele bombardiere mari, cum ar fi Tupolev Tu-160 și Rockwell B-1 Lancer, sunt și ele capabile de zbor supersonic.

Aerodinamica aeronavelor supersonice este mai simplă decât aerodinamica subsonică, deoarece straturile de aer din diferite puncte de-a lungul avionului adesea nu se pot influența reciproc. Avioanele supersonice și vehiculele rachetă necesită o forță de tracțiune de câteva ori mai mare pentru a trece prin rezistența aerodinamică suplimentară resimțită în regiunea transsonică (în jur de Mach 0,85–1,2). La aceste viteze, inginerii aerospațiali pot ghida ușor aerul în jurul fuzelajului aeronavei fără a produce noi unde de șoc, dar orice modificare a suprafeței transversale de-a lungul fuzelajului duce la noi unde de șoc. Proiectanții folosesc legea ariilor pentru a minimiza modificările bruște ale secțiunii transversale.

Principala metodă pentru a obține o rezistență supersonică redusă este modelarea corectă a aeronavei, astfel încât aceasta să fie lungă și subțire și aproape de o formă „perfectă”, ogiva von Karman și corpul Sears-Haack. Acest lucru a dus la faptul că aproape fiecare avion de croazieră supersonic arată foarte asemănător unul cu celălalt, cu un fuzelaj foarte lung și subțire și aripi delta mari: SR-71, Concorde etc. Deși nu este ideală pentru aeronavele de pasageri, această modelare este destul de potrivită pentru bombardiere.

Note

^ en „APOD: 2007 August 19 - A Sonic Boom”. antwrp.gsfc.nasa.gov.
^ en „F-14 CONDENSATION CLOUD IN ACTION”. www.eng.vt.edu. Arhivat din original la 2 iunie 2004.
^ en „Does the Tip of a Snapped Towel Travel Faster Than Sound?”.
^ en Mike May (2002). „Crackin' Good Mathematics”. American Scientist. 90 (5). Arhivat din original la 22 martie 2016. Accesat în 26 august 2015.
^ en „Hypography – Science for everyone – Whip Cracking Mystery Explained”. Arhivat din original la 17 februarie 2012. Accesat în 6 februarie 2008.
^ en „Hornady Ammunition Charts” (PDF). Arhivat din original (PDF) la 27 septembrie 2007. Accesat în 4 noiembrie 2011.

Vezi și

Legături externe

Materiale media legate de supersonic la Wikimedia Commons
en "Can We Ever Fly Faster Speed of Sound", October 1944, Popular Science one of the earliest articles on shock waves and flying the speed of sound
en "Britain Goes Supersonic", January 1946, Popular Science 1946 article trying to explain supersonic flight to the general public

Portal Fizică

[1] „APOD: 2007 August 19 - A Sonic Boom”. antwrp.gsfc.nasa.gov.

[2] „F-14 CONDENSATION CLOUD IN ACTION”. www.eng.vt.edu. Arhivat din original la 2 iunie 2004.

[3] „Does the Tip of a Snapped Towel Travel Faster Than Sound?”.

[4] Mike May (2002). „Crackin' Good Mathematics”. American Scientist. 90 (5). Arhivat din original la 22 martie 2016. Accesat în 26 august 2015.

[5] „Hypography – Science for everyone – Whip Cracking Mystery Explained”. Arhivat din original la 17 februarie 2012. Accesat în 6 februarie 2008.

[hornady-6] „Hornady Ammunition Charts” (PDF). Arhivat din original (PDF) la 27 septembrie 2007. Accesat în 4 noiembrie 2011.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]