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超音速飞机的呐喊

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  当飞机突破音障的时候,有时会在飞机后方产生云雾(图片来源:wikipedia)

  1947年10月的一天,在美国的一个大沙漠,干燥的空气让周围的一切都静悄悄的。突然传来一声巨响!它既不是大地突然裂开的声音,也不是暴雨带来的雷声。过了一会,一架飞机在不远处降落,一个人从飞机中钻出来。这个人叫耶格尔,他刚刚驾驶的飞机超过了音速!

  刚才的巨响是耶格尔的飞机带来的吗?让我们从音速说起吧!

  声音在空气中的传播速度是340m/s(1标准大气压,15℃),如果能在空气中超过这个速度飞行,那就是超音速飞行了。沙漠中的巨响,的确是由飞机超音速飞行带来的。这是一种物理现象,并且有一个如雷贯耳的名字——音爆。耶格尔的飞机不仅带来了音爆,也产生了一团云雾(音爆云)。是不是有一种英雄登场的感觉?没错,他就是第一个成功地将声音甩在身后的人。

  那么,音爆的原理又是什么呢?波,我们应该不陌生。比如,把石子儿扔进水中会产生一圈圈的水波。其实,声音也是如此。声音在空气中也是通过波的形式向外传播,这就是声波。如同水中慢慢扩大的水波,声波也会一圈圈散开。我们平时听见的声音就是声波传入耳内,再经由鼓膜振动产生的。

  飞行时,飞机会不断发出声波。如果是普通客机的速度,前一个声波在后一个声波到达前就散开了。但是,当飞机速度接近音速时,它会追上自己发出的声波。空气的压缩让波还来不及迅速传播,新的声波又叠加了上来。于是,逐渐在机头处形成一堵高能量的墙。想象一下,空气分子想跑却跑不了,被堆积在了一起。当飞机继续飞行,突破这堵墙时,就仿佛刺破了一个气球。所以,超音速战斗机的机头都是尖尖的,而普通客机的机头则是圆圆的。

  突破“墙”后,飞机的后面会拉出一个锥形的冲击波。当这个锥形边缘的冲击波穿过你的位置时,你就会听见音爆了。同时,由于飞机后方的气压降低导致温度下降,水蒸气遇冷变成了小液滴,形成音爆云,让超音速飞机自带了腾云驾雾的效果。

  

  

  

  图片来源:wikipedia

  超音速飞机在军事上很常见,生活中却几乎没有。既然连超音速飞机都看不见,音爆更无从听起了!

  其实,我们的生活中也有音爆。不知道你是否留意过公园里的一种娱乐项目——抽陀螺。一些叔叔、爷爷喜欢拿着一根长长的鞭子,用力抽地上的陀螺,让它们能够一直旋转。那清脆的响声也是音爆。据研究,抽的时候鞭子末端的速度,已经能到达音速。是不是很难以置信?公园里的叔叔、爷爷们居然拥有一根超音速魔法鞭!

  不过,音爆的危害也是不容小觑的。一架超音速飞机低空掠过的话,那巨大的声响不仅会把玻璃都震碎,还会危害人类和动物的生命安全。因此,超音速飞行在人口密度高的低空区域是绝对禁止飞行的。上世纪五六十年代,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超音速飞机的“喊声”震死了。

  参考资料:

  https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%9F%B3%E9%9A%9C

  https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E5%A3%B0%E7%88%86

  https://www.bbc.com/news/uk-england-28524705

  https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%BF%80%E6%B3%A2

  作者:董依明

  审稿:于颖卓,中科院地理科学与资源研究所博士