صفحه اصلی درباره ما گالری تصاویر تماس با ما ورود کاربران
منوی سایت
امتیاز دهید
پیشخوان
اوقات شرعی
تقویم مناسبتی
دیکشنری آنلاین
تماس با ما

تماس با ما

تقویم روز

دوشنبه ۲۷ خرداد ۱۳۹۸
آمار بازدید

بازدید امروز : ۸

بازدید این هفته : ۴۴۶

بازدید این ماه : ۲۳۵۳

آمار کل بازدید : ۲۷۹۶۰۵

افراد آنلاین : ۰ نفر

آی پی : ۵۴.۹۱.۴.۵۶

 صفحه اصلی محتوای آموزشی مشاهده محتوای آموزشی

 
شکست ديوار صوتي

 


شکست ديوار صوتي

Description: لحظه شکست ديوار صوتي

تاريخچه

در اعصار آغازين دوران هوانوردي ابتدايي ، هواپيماها بيشتر با سرعتهاي بسيار پايين نسبت به هواپيماهاي امروزي پرواز مي‌کردند که حتي به بيشتر از 300 کيلومتر در ساعت نمي‌رسيد؛ در حالي که چنين سرعتي ، سرعت مطلوب براي تيک آف يا برخاست يک هواپيماي جنگنده امروزي است و رسيدن به چنين سرعتي ، ابداً مستلزم تلاش بسيار و فشار آوردن بيش از حد به موتور نمي‌باشد. اما رفته رفته ، سرعت هواپيماها حتي با موتورهاي پيستوني گاها بالاي 650 کيلومتر بر ساعت رسيده و از آن زمان بود که دانشمندان علوم آيروديناميک دريافتند که با افزايش سرعت ، به تدريج ميزان پسا افزايش پيدا کرده و در سرعت معيني ، ديگر هواپيما قادر به سرعت گرفتن نبوده گاه نيز استال مي‌شوند.

در آن زمان ، علت اين موضوع بدين گونه بيان شد که با افزايش سرعت ، به تدريج سرعت گردش انتها يا نوک پره‌هاي پروانه موتور ، به سرعت صوت نزديک شده و سرانجام در حداکثر سرعت يک هواپيماي پيستوني که حدود 950 کيلومتر مي‌باشد، سرعت انتهاي پره‌ها از سرعت صوت گذشته و پسا يا درگ بسياري ايجاد مي‌شود که خود مانع سرعت گرفتن بيشتر هواپيماست. در چنين سرعتهايي ، پروانه موتور هواپيماهاي پيستوني ، نه تنها تراست يا نيروي کشش توليد نمي‌کند، بلکه در اثر سرعت بسيار زياد ، تبديل به يک ديسک يا دايره توپر چرخنده مي‌شود که جز ايجاد درگ و پسا ، کار ديگري انجام نمي‌دهد.

آيروديناميستهاي آن زمان اين حد را يک محدوده سرعت يا همان ديوار صوتي در نظر گرفته و بسياري از آنان نيز بر اين عقيده بودند که گذشتن از ديوار صوتي و پشت سر گذاشتن آن ، کاري غير ممکن است؛ اما با ورود به عصر جت و پيشرفت علم آيروديناميک ، اين کار براي جنگنده‌هاي امروزي کاري بس سهل و آسان است.

اولين بار خلباني آمريکايي به نام چاک ييگر ، با انجام اصلاحاتي بر روي يک بمب افکن قديمي آن را به چهار موتور موشکي مجهز کرده و بر فراز بياياني در آمريکا ، پس از جدا شدن از هواپيماي مادر، به پرواز در آورد. پس چند ثانيه پرواز هواپيماي پرتقالي رنگ ملقب به X-1 به صورت گلايد، خلبان چهار موتور موشکي خود را روشن کرده و پس از چند لحظه صدايي رعد آسا در آسمان شنيده شد که همان نتيجه شکستن ديوار صوتي براي اولين بار در جهان بود. در اين آزمايش ، اين هواپيما به سرعت 16/1 ماخ دست يافت، و با ورود به عصر جت ، روياي شکستن ديوار صوتي و پا گذاشتن به سرعت صوت نيز به واقعيتي بسيار قابل لمس مبدل گشت.

ابتدا تقسیم بندی کلی بر هواپیماها از نظر سرعت خواهیم داشت. هواپیماها از نظر سرعت به چند دسته تقسیم می شوند:

*هواپیماهای زیر سرعت صوت یا Sub Sonic
*هواپیماهای نزدیک سرعت صوت یا Tran Sonic
*هوپیماهای دقیقاْ در صوت یا Sonic
*هواپیماهای ماورای سرعت صوت یا Super Sonic
*هواپیماهای بسیار بالاتر از سرعت صوت یا Hyper Sonic

سرعت صوت عبارت است از مقدار مسافتی که صوت در یک مدت زمان معین طی می کند. برای مثال سرعت صوت در ثانیه و در سطح دریا و دمای 22 درجه تقریباً 345 متر و سرعت آن در یک ساعت 1240 است. دلیل متغیر بودن سرعت صوت، به میزان فشار هوا یا در حقیقت ارتفاع بستگی دارد. در سطح دریا، سرعت صوت در میزان حداکثر خود و در ارتفاعات بالا کمترین مقدار خود را یعنی حدود 1060 کیلومتر بر ساعت را در در دمای 52 درجه دارد که به این معنی است که در سطح دریا، به دلیل تراکم نسبتاً زیاد ملکول های هوا، صوت با سرعت بیشتری حرکت می کند و مجرد اینکه ارتفاع بالا می رود، فشار هوا تقلیل یافته در نتیجه صوت با سرعت کمتری فضا را پیمایش می کند. به حداکثر سرعت صوت در یک ارتفاع معین ماخ یا Mach می گویند. به این ترتیب سرعت 120 کیلومتر در ساعت تقریباً مقداری معادل 0.1 ماخ داشته و سرعت 950 کیلومتر برساعت تقریباً معادل 0.9 ماخ است (البته بیان سرعت به کیلومتر در ساعت برای درک بهتر است، چه، در غیر اینصورت واحد سرعت هواپیماها بیشتر بر حسب نات یا Knot که معادل 1822 متر است محاسبه گردیده و ارتفاع آنها نیز بر حسب پا یا Foot که هر فوت معادل تقریباً 0.35 متر است محاسبه می شود). سرعت ماخ توسط فرمول سرعت "هواپیما ÷ سرعت صوت محیط" محاسبه می شود.

در حدود سرعت صوت، به دلیل فشردگی بیش از حد هوا در مقابل لبه حمله بال هواپیما، نیروی "برا"ی هواپیما به شدت کاهش پیدا کرده و بالعکس نیروی پس کشنده یا Drag آن به شدت افزایش پیدا می کند؛ تا جایی که بسیاری در زمان های گذشته عقیده داشتند که عبور از چنین سرعتی برای اجسام پرنده ساخت دست انسان غیر ممکن می باشد، اما ورود موتور جت به عرصه هوانوردی، این رویا رنگ واقعیت به خود گرفت. چرا که اگر یک هواپیمای ملخ دار در سرعت 700 کیلومتر بر ساعت به 1000 اسب بخار نیرو نیاز داشته باشد، در سرعت 1000 کیلومتر بر ساعت، همین هواپیما به 30,000 اسب بخار نیرو جهت پرواز نیز خواهد داشت. به همین دلیل این حد را (دیوار صوتی)، Sound Barrier نامیده و گذشتن از آن را غیر ممکن می دانستند.

عدد ماخ بحراني

به سرعتي که در آن حداقل يکي از سطوح هواپيما به سرعت صوت رسيده باشد، گر چه اين پديده در مورد خود هواپيما صادق نباشد، عدد ماخ بحراني يا Critical Mach Number مي‌گويند. عدد ماخ بحراني را مي‌توان به سرعتي که نمودار پسا در مقابل سرعت سير صعودي مي‌گيرد، نيز تعريف نمود. در اين سرعت ، فرامين هواپيما کم کم شروع به درست جواب ندادن کرده و حالتي شبيه به کوبيدن بر روي بال توسط امواج ضربه‌اي بوجود مي‌آيد که با گذر از ديوار صوتي ، فرامين هواپيما به حالت طبيعي خود باز مي‌گردند.

بنابراين ، در سرعتي که هواپيما به عدد ماخ بحراني خويش مي‌رسد، پسا به دليل ايجاد امواج ضربه‌اي بطور قابل توجهي افزايش مي‌يابد، پس ، بايد تلاش بر آن باشد تا عدد ماخ بحراني هر چه بيشتر با بهبود ويژگيهاي آيروديناميکي افزايش يابد، چون اگر اين اتفاق در سرعتهاي پايين‌تر رخ دهد، هواپيما نيز بايد از سرعت پايين‌تري جدال با افزايش پسا را شروع کند.

 

Description: x1

خصوصيات صوت و ديوار صوتي

خصوصيات صوت و ديوار صوتي چيست و چرا گذر از آن نيازمند قدرت و کشش و توانايي زيادي است. صوت ، در شرايط عادي (دما ، فشار و ... معمولي) در سطح دريا داراي سرعتي معادل 332 متر بر ثانيه يا 1,195 کيلومتر بر ساعت مي‌باشد که اين سرعت ، با افزايش ارتفاع و کاهش فشار و تراکم هوا ، کاهش يافته و در ارتفاعات بالاتر ، صوت فواصل را با سرعت کمتري مي‌پيمايد. اين مسئله بدين صورت است که صوت از طريق ضربات مولکولهاي هوا به يکديگر و انتقال انرژي آنها فضا را طي مي‌کند و هر چه تعداد مولکولها در يک حجم معين بيشتر باشند، انتقال انرژي زودتر صورت پذيرفته و صوت با سرعت بيشتري انتقال مي‌يابد؛ چنانکه سرعت صوت در مايعات بيشتر از هوا و در جامدات بسيار بيشتر از مايعات و هوا و معادل 6000 کيلومتر بر ساعت است.

پس در نتيجه افزايش ارتفاع ، تعداد ملکولها در يک حجم معين کاهش يافته و صوت با سرعت کمتري فضا را مي‌پيمايد. ديوار صوتي ، شيئي فيزيکي و قابل روئيت نيست؛ بلکه به دليل اينکه گذشتن از سرعت صوت نيازمند توان بسيار بالاي موتور و آيروديناميک بسيار خوب مي‌باشد، اين حد را يک مانع براي رسيدن به سرعتهاي بالاتر دانسته و از آن به نام ديوار صوتي ياد مي‌کنند. عدد ماخ ، در حقيقت همان نسبت سرعت شيء پرنده يا همان هواپيما به سرعت صوت محيط است که به احترام دانشمندي آلماني که براي اولين بار چنين مقياسي را در نظر گرفت، آن را «ماخ» نام نهادند. پس عدد ماخ ، کميتي متغير است و بسته به خصوصيات هوا مانند دما و فشار ، تغيير کرده و کاهش يا افزايش مي‌يابد.

عامل ايجاد ديوار صوتي

امواج ضربه‌اي يا Shockwaves در حقيقت همان عامل اصلي ايجاد ديوار صوتي هستند. امواج ضربه‌اي ، تغييري ناگهاني در فشار و دماي يک لايه از هواست که مي‌تواند به لايه‌هاي ديگر منتقل شده و به صورت يک موج فضا را بپيمايد. براي درک بهتر مطلب ، وقتي که سنگي در آب انداخته مي‌شود، موجهايي در آب بوجود مي‌آيند که به سمت خارج در حال حرکتند. اين امواج ، نتيجه افزايش سرعت يا اعمال نيرو به لايه‌اي از ملکولهاي آب است که قادر به انتقال به لايه‌هاي ديگر نيز مي‌باشد، و امواج ضربه‌اي نيز ، همان امواج درون آب هستند، با اين تفاوت که آنها در سيالي ديگر به جاي آب به نام هوا ، تشکيل مي‌شوند.

در سرعتهاي نزديک سرعت صوت ، فرضيه غير قابل تراکم بودن هوا رد شده و ضريب تراکم هوا به 16% در مي‌رسد، که مقداري غير قابل چشم پوشي است. در اين سرعتها هواي جلوي بال يا لبه حمله به شدت متراکم گشته و دما و فشار آن به طرز قابل توجهي افزايش مي‌يابد، همين مسأله ، يکي از عوامل ايجاد امواج ضربه‌اي است. هواپيما با حرکت خود در هوا ، نظم فشار هواي محيط را بر هم مي‌زند و همانند قايقي که در آب در حال حرکت است، امواجي از آن ساطع شده و به دليل اينکه اين امواج با سرعت صوت حرکت مي‌کنند و هواپيما زير سرعت صوت در حال سير است، از آن دور مي‌شوند.

اما کم کم ، با نزديک شدن به سرعتهاي ترانسونيک و حدود سرعت صوت ، اين امواج فرصت دور شدن از هواپيما را نداشته و در جلوي بال متراکم مي‌شوند. در مناطقي از بدنه هواپيما که سطوح ناموزوني نسبت به جهت حرکت هواپيما دارد، سرعت گذر هوا افزايش يافته و بر اساس اصل برنولي ، با افزايش سرعت سيال ، فشار آن کاهش مي‌يابد. در چنين سرعتهايي ، هواي اطراف اين سطوح به سرعت صوت مي‌رسد، گر چه هواپيما هنوز به سرعت صوت نرسيده باشد. در نتيجه رسيدن بعضي سطوح به سرعت صوت ، امواج ضربه‌اي توليد شده و درگ يا پساي فراواني را قبل از رسيدن به سرعت صوت توليد مي‌کنند، که همين مسأله گذر از ديوار صوتي را مشکل مي‌نمايد.

عدد ماخ بحراني

به سرعتي که در آن حداقل يکي از سطوح هواپيما به سرعت صوت رسيده باشد، گر چه اين پديده در مورد خود هواپيما صادق نباشد، عدد ماخ بحراني يا Critical Mach Number مي‌گويند. عدد ماخ بحراني را مي‌توان به سرعتي که نمودار پسا در مقابل سرعت سير صعودي مي‌گيرد، نيز تعريف نمود. در اين سرعت ، فرامين هواپيما کم کم شروع به درست جواب ندادن کرده و حالتي شبيه به کوبيدن بر روي بال توسط امواج ضربه‌اي بوجود مي‌آيد که با گذر از ديوار صوتي ، فرامين هواپيما به حالت طبيعي خود باز مي‌گردند.

بنابراين ، در سرعتي که هواپيما به عدد ماخ بحراني خويش مي‌رسد، پسا به دليل ايجاد امواج ضربه‌اي بطور قابل توجهي افزايش مي‌يابد، پس ، بايد تلاش بر آن باشد تا عدد ماخ بحراني هر چه بيشتر با بهبود ويژگيهاي آيروديناميکي افزايش يابد، چون اگر اين اتفاق در سرعتهاي پايين‌تر رخ دهد، هواپيما نيز بايد از سرعت پايين‌تري جدال با افزايش پسا را شروع کند.

 عدد ماخ بحراني

به سرعتي که در آن حداقل يکي از سطوح هواپيما به سرعت صوت رسيده باشد، گر چه اين پديده در مورد خود هواپيما صادق نباشد، عدد ماخ بحراني يا Critical Mach Number مي‌گويند. عدد ماخ بحراني را مي‌توان به سرعتي که نمودار پسا در مقابل سرعت سير صعودي مي‌گيرد، نيز تعريف نمود. در اين سرعت ، فرامين هواپيما کم کم شروع به درست جواب ندادن کرده و حالتي شبيه به کوبيدن بر روي بال توسط امواج ضربه‌اي بوجود مي‌آيد که با گذر از ديوار صوتي ، فرامين هواپيما به حالت طبيعي خود باز مي‌گردند.

بنابراين ، در سرعتي که هواپيما به عدد ماخ بحراني خويش مي‌رسد، پسا به دليل ايجاد امواج ضربه‌اي بطور قابل توجهي افزايش مي‌يابد، پس ، بايد تلاش بر آن باشد تا عدد ماخ بحراني هر چه بيشتر با بهبود ويژگيهاي آيروديناميکي افزايش يابد، چون اگر اين اتفاق در سرعتهاي پايين‌تر رخ دهد، هواپيما نيز بايد از سرعت پايين‌تري جدال با افزايش پسا را شروع کند.

اثرات شکست ديوار صوتي

امواج ضربه‌اي توسط هواپيما در سرعت صوت ، بسيار قدرتمند مي‌باشند، چنانکه در صورت پرواز هواپيما نزديک به زمين و گذر آن از ديوار صوتي ، امواج ضربه‌اي با منتهاي قدرت به اجسام زميني مانند شيشه‌هاي منازل و ساختمانها برخورد نموده و باعث شکستن آنها مي‌شود، يا حتي اگر شخصي در معرض امواج ضربه‌اي بطور مستقيم قرار گيرد، احتمال از دست دادن شنوايي و پاره شدن پرده گوش بسيار است.

از امواج ضربه‌اي ، در بمبها و تسليحات ديگر نيز استفاده مي‌شود. بمبها با يک افزايش دما و فشار ناگهاني در لايه‌هايي از هوا ، امواج ضربه‌اي بوجود آورده که از طريق هوا انتقال يافته و باعث شکستن شيشه‌ها و تخريب ديوارها نيز مي‌شود. اگر شخصي در فاصله‌اي نسبتاً نزديک در فضايي تهي از هوا و خلاء ، حتي نزديک يک بمب ده تني ايستاده باشد، بر فرض منفجر کردن بمب ، آسيبي به وي نخواهد رسيد، چون هوايي براي انتقال امواج ضربه‌اي وجود ندارد.

به دليل توليد امواج ضربه‌اي در سرعتهاي حدود سرعت صوت ، خلبانان سعي مي‌کنند فقط مدت کوتاهي در چنين سرعتهايي ترانسونيک پرواز کرده و به زودي از ديوار صوتي گذر کنند، چون پرواز در اين سرعتها نيروي بسيار زياد موتور در نيتجه افزايش فوق العاده ميزان مصرف سوخت را در پي دارد.

Description: لحظه شکست ديوار صوتي

صداي انفجار

امواج حاصله از حرکت هواپيما يا صداي توليد شده در اثر حرکت ، هر بار در سرعتهاي زير سرعت صوت از هواپيما دور شده و به گوش شنونده مي‌رسد. اما با رسيدن هواپيما به سرعت صوت، اين صداها ديگر فرصت دور شدن از هواپيما را نداشته و کلاً در جلوي هواپيما جمع مي‌شوند. با گذر از سرعت صوت ، صدايي چند ده برابر شده از حرکت هواپيما باهم به گوش شنونده مي‌رسد که مانند يک انفجار شديد يا صداي رعد و برقي بسيار قدرتمند مي‌باشد. شايد در تصاوير هواپيماهاي در حال گذر از ديوار صوتي ، هاله‌اي سفيد رنگ را در اطراف هواپيما مشاهده کرده باشيد. در هنگام گذر از ديوار صوتي ، اگر هواپيما نزديک به زمين و در محيطي مرطوب با درصد بخار آب زياد باشد، بخار آب هوا در اثر امواج ضربه‌اي فشرده شده و ابر سفيدي را براي چند ثانيه پديد مي‌آورند که همان هاله سفيد رنگ قابل روئيت در تصاوير است. اما از امواج ضربه‌اي در موتورهاي جت نيز استفاده مي‌شود. بدين گونه که ، هوا ورودي در موتورهاي جت ، حتي اگر هواپيما با سرعتهاي بالاي صوت پروزا نمايد، بايد زير سرعت صوت باشد تا قابليت احتراق را در موتور داشته باشد.

Description: C:\Users\reza\Desktop\post-248.aspx_files\350px-F-18-diamondback_blast.jpg



Description: C:\Users\reza\Desktop\post-248.aspx_files\1405715.jpg

عکس با کیفیت و عالی از یک هواپیمای اف 18 آمریکایی در حال شکستن دیوار صوتی


چگونگی شکستن دیوار صوتی:

با نزدیک شدن هواپیما به سرعت صوت، تولید امواج ضربه ای یا Shockwave ها بر روی بال ها شروع می شود. هر چه سرعتی که هواپیما در آن سرعت موجب تولید امواج ضربه ای می شود بیشتر باشد، آن هواپیما از آیرودینامیک بهتری برخوردار است. این امواج حالتی را شبیه به کوبیدن رو بال ها پدید می آورند و این حالت ناپایداری تا جایی ادامه می یابد که ممکن است فرامین هواپیما به کلی از دست هدایت کننده آن بیرون رود. سرعتی را که تولید امواج ضربه ای در آن برای یک هواپیما شروع می شود، عدد ماخ بحرانی یا Critical Mach می نامند. اما بعد از شکست دیوار صوتی و گذشتن از آن این حالت از بین رفته و فرامین به حالت اصلی خود باز می گردند. گفتیم که نزدیکی هواپیما به سرعت صوت، تولید امواج ضربه ای را در پی دارد. هر موجود پرنده ای در حالت پرواز، فشار های گوناگونی تولید کرده و فشار های متفاوتی نیز از سوی او بر محیط اعمال می شود و عملاً نظم فشار محیط را بهم می زند. تا قبل از سرعت صوت، هر موجی که از سوی هواپیما تولید می شود، از آن دور شده و اثری بر آن نخواهد داشت. اما با تقرب هواپیما به سرعت صوت، دیگر تقریباً امواج فرصت دور شدن از لبه حمله بال هواپیما را نداشته تا جایی که دی

نظر دهید . . .           نظرات کاربران

 

 کلیه حقوق این سایت متعلق به دبيرستان شاهد خوشنام زنجان می باشد