اختراق حاجز الصوت
فى ( 14 / 10 / 1947 ) اخترق أحد الطيارين الأمريكان
حاجز الصوت لأول مرة فى تاريخ البشرية بطائرته ( بل إكس 1 ) فوق أحد المطارات
الأمريكية وقد تم ذلك على مرحلتين :
1 ) عندما طار الطيار الأمريكى وطائرته معلقا بطائرة من
طراز بى 29
2 ) عندما انفصل عن الطائرة الأم عند ارتفاع عال وشغل
صواريخ دفع طائرته التى اندفعت وراحت تضاعف سرعتها حتى زادت عن سرعة الصوت فبدأ
عهد جديد فى تاريخ الطيران .
وتبلغ سرعة الصوت فى الهواء ( 762 ميل / ساعة ) ( ماخ 1
) فإذا كانت سرعة الطائرة ( 2 ماخ ) فهى = ( 1524 ميل / ساعة ) والماخ وحدة قياس
للسرعة = نسبة سرعة جسم ما إلى سرعة الصوت ويستعمل الاصطلاح مع الأجسام التى تسير
بسرعات كبيرة كالطائرات النفاثة بالإضافة لسرعة الهواء داخل القنوات الهوائية
ومطاحن الرياح وتكون سرعة الماخ على مستوى سطح البحر ( 1225 كم / ساعة )
( 765.6 ميل / ساعة ) ( 340 م / ث ) ويتغير الرقم
باختلاف الحرارة وضغط الجو وإن مبادىء العدد الماخى ما يعادل سرعة الصوت
( سوبرسونيكس ) اعتمادا على النسبة بين سرعة الجسم :
سرعة الصوت وفى بداية عهد الطيران فوق الصوتى حيث أن الطائرات فوق الصوتية تملك
حاجزا ماديا وكلما قاربت سرعة الطائرة من سرعة الصوت أصبح من الصعب عليها الطيران
فهى تحتاج لطاقة هائلة للمرور من حالة الطيران بسرعة أقل من سرعة الصوت إلى سرعة
تفوق الصوت ( خرق جدار الصوت ) الذى لا يوجد له فى الواقع جدار مادى
ما هى خواص الصوت وكيفية انتقاله عبر الأشياء المادية
وما الذى يحدث عند خرق جدار الصوت .
الذبذبات الصوتية :
إن تأثير جسم يتذبذب على الوسط المحيط به كالهواء أو أى
وسط آخر ينقل جسيمات الهواء من أماكنها وهى بدورها ستضغط الطبقات التالية لها حيث
ستجد أن لكل الهواء المحيط بالجسم قد بدأ بالحركة فإن الهواء قد تذبذب أو أنه حدثت
ذبذبات صوتية فى الهواء والعلم الذى يدرس الذبذبات الصوتية ( علم الصوتيات ) ولوصف
خواص الذبذبات الصوتية يستعمل مفهوم ( تردد الذبذبة الصوتية ) والذبذبة أو الدورة
أو الهيرتز أو السايكل تعنى شيئا واحدا ففى الفيزياء توجد كميات للذبذبة أكبر
بكثير من الهيرتز فباستعمال وحدات الكيلوهرتز أو كيلوسايكل وميجاهرتز أو ميجاسايكل
.
توجد حقيقة علمية تخبر بأنه يجب ألا نخاف من الصاعقة بعد
سماع صوت الرعد حيث يتلخص فى أن الضوء ينتشر لحظيا والرعد والصاعقة يحدثان معا فى
لحظة واحدة إلا أنه يتم رؤية البرق لحظة حدوثه أما صوت الرعد فيصل بسرعة ( 1 كم /
3 ث ) مما يعنى أن خطر ضربة الصاعقة سينعدم بعد سماع دوى الرعد وبمعرفة سرعة
انتشار الصوت فى الهواء ( 330 م / ث ) يمكن تحديد البعد الذى توجد عنده العاصفة
الرعدية فإذا مضت ( 12 ث ) بين لحظة ظهور البرق ولحظة سماع دوى الرعد مما يعنى أن
العاصفة تبعد مسافة ( 4 كم ) .
واكتشف علماء الصوتيات أن السوائل توصل الصوت بسرعة أكبر
من الغازات ففى الماء ينتشر الصوت بسرعة ( 1450 م / ث ) أى أنه ينتشر فى الماء
أسرع من انتشاره فى الهواء ب ( 4.5 مرة ) كما أن سرعة الصوت فى الأجسام الصلبة
أسرع من السوائل والغازات فسرعة الصوت فى الحديد ( 6000 م / ث ) .
الصوت المسموع :
ما هى الذبذبات الصوتية التى يستطيع الإنسان سماعها
بالأذن ؟ حيث أن الأذن قادرة على استقبال الذبذبات التى تقع فى حدود من 20 : 20000
هيرتز أو سايكل / ث والصوت ذو الذبذبة الكبيرة ( الصوت العالى ) وذو الذبذبة
الصغيرة ( الصوت المنخفض ) وباستخدام العلاقة نجد أن أطوال موجات الصوت المسموع
تقع فى الحدود من ( 15 م ) أشد النغمات انخفاضا إلى ( 3 سم ) أشد النغمات علوا
والكيفية التى نستطيع بها سماع الذبذبات الصوتية فى ظاهرة الرنين التى تعمل على
أساسها الأذن البشرية حيث يوجد داخل الأذن البشرية ما يقرب من ( 4500 شعيرة ) ذات
أطوال مختلفة لاستقبال كل النغمات الممكنة وغشاء طبقة الأذن ينقل الذبذبات
للشعيرات الدقيقة ولكن لن يتذبذب منها سوى التى تتوافق ذبذبتها مع الذبذبة
الخارجية ويتم تمييز النغمة الموسيقية عن طريق تحليل الصوت لمركباته التوافقية أى
إلى النغمة الأساسية والنغمة التوافقية .
الهدوء والضوضاء :
يمتلك الإنسان المقدرة على استقبال موجات صوتية أقوى صوت
فيها يختلف عن أضعف صوت ب ( 10 تريليونات مرة ) وهذه قدرة مدهشة جدا حيث تفتقر أدق
الموازين السمعية الحساسة لمثل الخاصية الفريدة التى تمتاز بها أذن الإنسان حيث
يستعمل مقياس لدرجة ارتفاع الصوت حيث أن وحدة الارتفاع فيه بالبيل وعادة ما تستعمل
أجزاؤها العشرية
( الديسيبل ) وإذا وقفنا على بعد عدة أمتار من مصدر
الصوت فإن :
الصوت الصادر عن حفيف الأوراق = 10 ديسيبل .
الصوت الصادر عن شارع هادىء = 30 ديسيبل .
الصوت الصادر عن سيارة عابرة = 50 ديسيبل .
الصوت الصادر عن محادثة بصوت مرتفع = 70 ديسيبل .
الصوت الصادر عن شارع به ضوضاء = 90 ديسيبل .
الصوت الصادر عن طائرة = 100 ديسيبل .
الصوت غير المسموع :
توصل علماء الصوتيات إلى أن ذبذبة الصوت التى يبلغ
مقدارها
( 20000 هرتز ) تعتبر الحد الأعلى للذبذبات التى تستطيع
الأذن استقبالها وفوق هذا الحد لن تتأثر الأذن بالذبذبات الميكانيكية التى تحدث فى
الوسط المحيط بها ويمكن إجراء ذبذبات عالية لا يستطيع الإنسان سماعها لكن يمكن
تسجيلها على الأجهزة العلمية وليست الأجهزة العلمية الشىء الوحيد القادر على تسجيل
الذبذبات فكثير من الحيوانات كالوطواط والنمل والحيتان والدلافين قادرة على
استقبال التذبذب الميكانيكى بتردد يصل ( 100000 هرتز ) وقد توصل العلماء لذبذبات
فوق صوتية تصل إلى مليار هرتز .
ويستخدم الخفاش الموجات فوق الصوتية وهو يطلق إشارات غير
مسموعة لأذن الإنسان بذبذبة قدرها يتراوح بين 25000 : 50000 سايكل / ث وكل إشارة تستغرق
من ( 10 : 15 بالألف من ث ) وجهاز السمع عند الوطواط ( الخفاش ) ذو درجة غير عادية
من التقدم والرقى فهو قادر على سماع الإشارة المنعكسة حتى لو كانت أضعف من الإشارة
التى أرسلها بألفى مرة .
كيف تنقل الأجسام الصلبة الصوت ؟
إن انتقال الصوت عن طريق السوائل والغازات يختلف عن
انتقاله عن طريق الأجسام الصلبة والفرق يتلخص فى أنه إلى جانب الموجات الطولية فى
الأجسام الصلبة يمكن أن تنشأ موجات عرضية والموجة العرضية تتميز بأن الجسيمات التى
تشارك فى عملية التذبذب فيها لا تتذبذب باتجاه انتشار الموجة بل على الاتجاه
العمودى على اتجاه الانتشار أى بعرض اتجاه الانتشار .
والموجة العرضية مستحيلة فى السوائل والغازات لأن
الأوساط تقاوم الضغط ولا تقاوم الإزاحة أما الأجسام الصلبة فهى لا تمانع فى
التغيير بالحجم بل تمانع فى التغيير فى الشكل ويمكنها أن تحتوى على الموجات
الطولية والعرضية التى توصل الصوت بالجودة نفسها ولكن ليس بالسرعة نفسها فالموجات
الطولية تنتشر أسرع من الموجات العرضية دائما .
إن سرعة الموجات العرضية فى الصلب = ( 3000 م / ث ) أما
الطولية فتبلغ سرعتها ( 6000 م / ث ) ولكن سرعة الصوت فى الرصاص
( 700 م / ث ) للموجات العرضية و ( 2200 م / ث ) للطولية
كما أن هناك موجات سطحية تنتشر فى الجسم الصلب وهى تخضع لقوى المرونة وتتحرك على
منحنيات مقفولة قريبة الشبه بالقطع الناقص وكلما ابتعدنا عن السطح تتضاءل الموجة
حتى تتلاشى .
ويمكن رصد سرعة وسعة وطول وذبذبة الموجات بواسطة جهاز
السيزموجراف وتحدث ( 100000 هزة ) على مدار السنة حيث تنتشر موجاتها الطولية
والعرضية والسطحية بجميع الاتجاهات الأهم فيها الموجات السطحية وتبلغ سرعة الموجات
الزلزالية الطولية 5.5 م / ث والعرضية ( 3.3 م / ث ) .
الحركة بالسرعة فوق الصوتية :
ما هى تكنولوجيا الانفجار الصوتى الناجم عن اختراق جدار
الصوت
( موجة الصدم ) ويمكن تعريف موجة الصدم فيزيائيا فإن
الانتشار الموجى هو الحالة التى تحدث فيها زيادة أو انخفاض ضغط نتيجة انفجار وتعلو
الموجة بالتدريج ثم تهبط دفعة واحدة وتنتشر الموجة بالفراغ فى جميع الاتجاهات
والموجة الضاربة لا تحمل التغيير الحاد فى الضغط بل التغيير فى الكثافة ودرجة
الحرارة .
وتتحرك الموجة الضاربة بسرعة فوق صوتية وأن حركة الأجسام
الصلبة فى الهواء بسرعة فوق صوتية تؤدى لحدوث الموجات الضاربة فإن للموجة الضاربة
أو موجة الصدم أهمية كبيرة فى الطيران الحديث خصوصا عندما أصبح بالإمكان الطيران
بسرعة فوق صوتية تزيد عن
( 320 م / ث ) أو ( 1200 كم / ساعة ) وحركة الطائرة
بسرعة تتعدى حاجز الصوت تختلف اختلافا كبيرا عن التحرك الذى لا يتعدى الحاجز
الصوتى بسرعة أقل من سرعة الصوت والاختلاف يتلخص فى أنه تنشأ أمام الأجسام الطائرة
بسرعة فوق صوتية موجة صدم أمامية وأخرى خلفية وهى عبارة عن منطقة على شكل صفيحة
يكون فيها الهواء ذا كثافة عالية أما سماكتها = ( 5 : 10 سم ) .
ما الذى يحدث عند حاجز الصوت ؟
عندما تحلق طائرة بسرعة تفوق سرعة الصوت فنسمع دويا
شديدا ومفاجئا إنه الانفجار الصوتى فإن الدوى لا يصدر عندما تخترق الطائرة جدار
الصوت بل يصدر عنها بشكل متواصل خلال المدة التى تكون فيها سرعتها تفوق سرعة الصوت
.
تزيح الطائرة الهواء جانبا أثناء طيرانها محدثة عددا لا
حصر له من الاضطرابات ( موجات الضغط ) وتظهر من الأماكن المختلفة على سطح جسم
الطائرة منتشرة على شكل الموجات التى يحدثها قارب يمخر عباب الماء وتنتقل جميع
الموجات بسرعة الصوت وتستطيع الموجات عند السرعات تحت الصوتية أن تتحرك أمام
الطائرة وخلفها فتسبق الطائرة بحيث لا تدركها أبدا إلا أن الموجات لا تستطيع أن
تسبق الطائرة عند السرعات الصوتية لأن مصدرها الطائرة تتحرك بسرعتها نفسها فتتراكم
الموجات الواحدة فوق الأخرى معززة بعضها بعضا لتولد موجة صدمة عالية الضغط وعمودية
على خط الطيران أما عندما تتجاوز الطائرة سرعة الصوت فإنها تخلف ورائها موجات
الضغط وتنحنى موجة الصدمة للخلف وهى لا تزال تصدر عن الطائرة ويكون شكل موجات
الصدمة المتتالية مخروطيا وتكون موجة الصدمة الأولى دائما على الأجنحة حيث يزيد
سطح الجناح من سرعة سريان الهواء وإن بعض أجزاء الجناح تصل لسرعة الصوت قبل بقية
أجزاء الطائرة .
وحيث يسمح دوى الانفجار الصوتى بمنطقة ( البساط ) وتتجاور
منطقة البساط مع منطقة انعدام الصوت وعندما تحلق الطائرة بسرعة تفوق سرعة الصوت
بمرتين ( 2 ماخ ) وعلى ارتفاع ( 15 كم ) يكون عرض البساط ( 85 كم ) .
ويركز مهندسو الطائرات والقذائف اهتمامهم على إضعاف
وتقليل المقاومة الناشئة عن الموجة الضاربة ويمكن تقليل المقاومة بالنسبة للطائرات
والقذائف عن طريق جعل شكلها مدببا أو حادا والجناح المتراجع يفى بالغرض فتدفق
السيل الهوائى عليه يتحلل لمركبين واحد يمس الجناح والآخر عمودى عليه وبالمزيد من
السرعة التى يعكف المصممون على زيادتها حيث سيواجهون عامل مقاومة آخر غير الحاجز
الصوتى ألا وهو الحاجز الحرارى فارتفاع درجة الحرارة الناشئة عن الانضغاط يتناسب
مع سرعة الهواء فكلما زادت السرعة زادت سخونة الهواء وعند اللحظة التى تصل فيها
السرعة للحاجز الصوتى سوف ترتفع درجة حرارة الهواء إلى ( 60 درجة مئوية ) والحرارة
لا تحمل أى خطر ولكن الهواء ستزداد سخونته ب ( 240 درجة مئوية ) عندما تكون سرعة
الطائرة ضعف سرعة الصوت وستكون 820 درجة مئوية عند الطيران بسرعة ( 3 أضعاف ) سرعة
الصوت وإن الزيادة فى درجة الحرارة تؤدى لتعقيدات كثيرة تكنولوجيا وعند سرعة ( 10
كم / ث ) تصبح درجة الحرارة هائلة لدرجة ينصهر فيها أى جسم ويتحول لبخار وهذا هو
الحال مع النيازك التى تسقط على الأرض من الفضاء الكونى باستمرار بسرعات تصل
لعشرات الكيلومترات / ث حيث تبدأ بالتسخين على ارتفاع ( 200 كم ) وعند ارتفاع ( 60
: 130 كم ) ترتفع درجة حرارتها لحد التبخر ولا يصل للأرض إلا ما كان حجمه كبيرا
منها حيث لا تصل الحرارة إلى كتلته كلها وهكذا يصل جزء منه للأرض ويحدث فيها دمارا
هائلا .
حسام الشالاتى
تنقيح / أسامة ممدوح عبد الرازق مصطفى شرف
14 / 1 / 2018
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق