Некоторые пули летят со сверхзвуковой скоростью. Возникают ли при их полете звуковые удары?

Когда во время Второй мировой войны Германия обстреливала Англию ракетами V-1 («Фау-1»), наблюдатели сначала слышали звук приближающейся ракеты (характерное жужжанье, которое служило предупреждением), а уже потом происходил взрыв ракеты, поражающей цель. Позже, когда стали использовать ракеты V-2 («Фау-2»), наблюдатели слышали эти два звука уже в обратном порядке: сначала звук взрыва, а потом, чуть позже, звук летящей ракеты. Почему последовательность появления этих звуков изменилась?

13 августа 1989 года космический челнок «Колумбия», направляясь на авиабазу ВВС США «Эдвардс», пролетел сначала над Лос-Анджелесом, а потом над Пасаденой, городом в 17 км к северо-востоку от Лос-Анджелеса. Космический челнок летел со сверхзвуковой скоростью (примерно 4600 км/ч) и поэтому испускал мощную ударную волну, то есть звуковой удар, который был слышен в обоих городах. Любопытно, что сейсмостанция в Пасадене зарегистрировала мощную сейсмическую волну, пришедшую из Лос-Анджелеса, на 12,5 секунды раньше, чем пришла ударная волна от самого шаттла. Как могла ударная волна возбудить сейсмическую волну в Лос-Анджелесе?

ОТВЕТ • Когда самолет летит в атмосфере, он оттесняет воздух со своего пути, в результате возникают перепады давления. Эти изменения давления распространяются от самолета в стороны в виде звуковых волн. Работающий мотор тоже создает звук, причем если самолет летит со скоростью меньше звуковой, вы слышите этот звук и не замечаете волну давления, порождаемую расталкиванием воздуха.

Если самолет летит со скоростью выше скорости звука, ситуация обратная. Колебания давления воздуха по-прежнему расходятся от самолета в виде звуковых волн, но теперь скорость этих волн меньше, чем скорость самого самолета. Эти волны собираются вместе и образуют конус с вершиной в носу самолета. Этот конус движется вместе с самолетом до тех пор, пока самолет движется со сверхзвуковой скоростью. При звуковом ударе вы в первую очередь слышите эти собранные в конус звуковые волны (они называются ударной волной), а не звук работающего двигателя.

Когда самолет движется, скажем, по горизонтали, нижняя часть конуса создает «след» на земле, и если вы окажетесь внутри этого следа, давление воздуха на вашей барабанной перепонке сначала увеличится по сравнению с нормальным значением, потом упадет ниже нормы, а потом опять поднимется до нормального значения (график давления будет напоминать букву N, поэтому ударную волну, создаваемую самолетом, называют N-волной). Быстрые изменения давления воздуха вызывают колебания барабанной перепонки, и в результате вы слышите звук, точнее, звуковой удар.

Ударная волна от самолета в действительности состоит из множества отдельных ударных волн, испускаемых носом самолета, двигателями, крыльями, фюзеляжем и хвостом. Однако к тому времени, когда ударные волны доберутся до вашего уха, они сольются в единую ударную волну и вы услышите один звуковой удар. Тем не менее иногда можно различить и отдельные звуковые удары.

Звуковые волны, образующие конус ударной волны, могут и не достичь земли, если во время движения вниз их траектория искривится из-за изменений температуры воздуха вдоль нее. Тогда говорят, что звук подвергся рефракции. Если на пути звука воздух становится все теплее и теплее, траектория может искривиться вверх и на землю так и не попасть. Кроме того, если волны окажутся между слоями воздуха с более высокой температурой, они могут оказаться запертыми в канале и распространиться по нему на очень большие расстояния (возможно, сотни километров). Например, люди иногда слышат звуковой удар, когда никакого самолета поблизости не слышно и не видно (громкий хлопок, донесшийся с пустого неба, может напугать кого угодно).

Когда сверхзвуковой самолет, особенно военный, ускоряется в горизонтальном направлении или совершает крутой вираж, ударные волны распространяются в разных направлениях, и в одной точке на земле может пересечься несколько волн. Сложение двух и более ударных волн означает, что скачки давления будут еще больше и люди на земле услышат суперхлопок, который их напугает. Именно при таких условиях могут разрушаться здания, особенно если частота, с которой происходят скачки давления, соответствует собственной частоте колебаний стен. И тогда колебания, вызванные ударными волнами, могут оказаться настолько большими, что разрушат стену.

Безусловно, внутри сверхзвукового самолета можно разговаривать друг с другом, поскольку воздух внутри самолета движется со скоростью самолета. Звуковые волны, испускаемые собеседниками в самолете, распространяются в этом движущемся воздухе как обычно и пассажиры ничего особенного не замечают.

Часть «хлопка», который вы слышите при выстреле, это звуковой удар, создаваемый сверхзвуковой пулей в полете. Немецкие ракеты V-1 летели со скоростью меньше скорости звука, так что шум от их полета наблюдатель слышал прежде, чем видел ракету. Ракеты V-2 уже были сверхзвуковыми, и они достигали цели раньше, чем туда долетал шум, который они создавали в полете.

Когда ударная волна от шаттла «Колумбия» достигла Лос-Анджелеса, она вызвала колебания во многих высоких зданиях в центральной части города; подобное случается и при землетрясениях. Периоды этих колебаний (время, за которое происходит полное колебание) лежали в интервале 1–6 секунд. Колебания зданий вызвали сейсмические волны. Например, здание, колебавшееся, скажем, с периодом 2 секунды породило сейсмическую волну с периодом 2 секунды. Сейсмические волны распространяются по земле быстрее, чем ударные волны в воздухе, поэтому они добрались до Пасадены раньше ударной волны. Первые сейсмические волны, вызванные колебаниями всех зданий, пришли почти в фазе друг с другом, так что на сейсмографе был зарегистрирован значительный всплеск. Но поскольку волны имели разные периоды, позже они складывались случайным образом и многие из них гасили друг друга, так что всплески в сейсмографе стали ослабевать.

Когда в Японии скорые поезда начали развивать скорость 270 км/ч вместо прежней 220 км/ч, в железнодорожных тоннелях при прохождении через них поезда стал раздаваться громкий хлопок. Эти хлопки были такими же громкими и пугающими, как и звуковые удары при пролете сверхзвуковых самолетов. Почему хлопки усилились при увеличении скорости поезда?

ОТВЕТ • Любой поезд, а особенно скорый, проталкивается через воздух, поэтому он посылает волны сжатия перед собой. На открытой местности эти волны быстро гаснут (их энергия рассеивается), но в тоннеле они живут дольше, настолько долго, чтобы, сложившись, образовать ударную волну. Когда ударная волна доходит до конца тоннеля и выходит из него, ее энергия достаточно велика, чтобы произошел звуковой удар. Хотя современные технологии позволяют увеличивать скорость поездов, возникновение звуковых ударов накладывает ограничения на скорость поездов данного типа в существующей системе тоннелей.

Что вызывает гром и почему он может быть таким разным — от резкого, бьющего по нервам хлопка до довольно продолжительных раскатов?