سرعة الصوت جدار الصوت والدوي الصوتي بالتفصيل

snt 

خـــــبراء المنتـــــدى
إنضم
30 يوليو 2010
المشاركات
4,446
التفاعل
23,994 3,497 0
سرعة الصوت جدار الصوت والدوي الصوتي بالتفصيل

image.jpg


من منا لم يسمع بهذا الانفجار المميز للطائرة النفاثة الأسرع من الصوت؟ كيف ولماذا يحدث هذا؟ ما هي الآثار التي تسببها؟

ظاهرة مرور حاجز الصوت ليست حديثة وهي ظاهرة معقدة في هذا الموضوع سنتطرق بشيء من التفصيل الى هذه الظاهرة متابعة شيقة للجميع.

تاريخ اول عمليات الاختراق

أدت السرعات التي وصلت إليها الطائرات ذات الدفع المروحي خاصة أثناء عملية الانقضاض نهاية الحرب العالمية الثانية إلى إلقاء الضوء على ظواهر جديدة: الاهتزازات ، تصلب الضوابط او ادوات التحكم ، وفقدان العناصر. سرعان ما أدرك المهندسون أن العدو الخفية الغير المرئي ليس سوى الهواء في حد ذاته.

مصطلح "جدار الصوت sound barrier او sonic barrier" يرجع إلى في الأربعينيات الى المهندس البريطاني ، دبليو إف هيلتون ، الذي تساءل عما إذا كانت الطائرة يمكنها أن تتجاوز سرعة الصوت. عندما اقتربت الطائرات الأولى من سرعة الصوت ، عند حوالي 1200 كم / ساعة ، أصبحت كثيرة الاهتزازات لدرجة أن الطيار فقد السيطرة في بعض الأحيان على طائرته وقد تتحطم في منتصف الرحلة. مع زيادة السرعة ، يشكل ضغط الهواء موجات صدمية والتي تدق فعليًا هيكل الطائرة.

فقد عشرات الطيارين حياتهم وهم يحاولون كسر حاجز الصوت. في ذلك الوقت ، بدا تجاوز سرعة الصوت مشكلة كبيرة وانتقلت عبارة "حاجز الصوت" إلى مفردات شائعة.

في 14 أكتوبر 1947 ، تمكن الطيار الأمريكي تشاك ييغر أخيرًا من تجاوز سرعة الصوت على متن الطائرة التجريبية X-1. اخيرا حل عصر الطيران الأسرع من الصوت.

80


Bell_X-1_46-062_%28in_flight%29.jpg

الطائرة التجريبية Bell X-1
 
التعديل الأخير:
ظاهرة حاجز الصوت

يتوافق حاجز الصوت مع جميع الظواهر الديناميكية الهوائية التي تحدث عندما يتحرك جسم ما في الهواء بسرعة قريبة من سرعة الصوت.

تشكل موجات الصدمة التي يتم مواجهتها عند سرعة 1 ماخ حاجزًا حقيقيًا من الهواء المضغوط أمام الطائرة ، وقد أطلق عليها اسم "جدار الصوت". ينتج عن تراكم الأمواج تأثيرات صوتية وديناميكية على الأرض: "BANG". تتشكل موجات الصدمة هذه عندما يصل تدفق الهواء حول الطائرة إلى سرعة الصوت ، والتي تختلف في حد ذاتها حسب الارتفاع ودرجة الحرارة. تم تقييمها عند سرعة 1،227 كم / ساعة في جو قياسي (15 درجة مئوية) وعند مستوى سطح البحر ، تقدر هذه السرعة ب1065 كم / ساعة عند ارتفاع 11000 متر وتظل ثابتة تقريبًا في الستراتوسفير.

عند سرعة 1100 كم / ساعة ، تطير الطائرة في وضع دون سرعة الصوت على ارتفاع منخفض وبوضع يفوق سرعة الصوت على ارتفاعات عالية.

بالنسبة للطائرة تظهر على الطائرة ظواهر أخرى:

زيادة معدلات السحب ،
تخفيض معدلات الرفع ،
النزوح المفاجئ لمركز الدفع للخلف ،
زيادة الحرارة
توسع او تمدد الهيكل.

rafale.jpg


بعد كسر حاجز الصوت ، تعود الطائرة الى السرعة العادية ، بشرط أن يتطابق جسم الطائرة والأجنحة بشكل مناسب مع التشكيل المخروطي - جسم الطائرة الأمامي المدبب ، والحواف الأمامية. بمجرد عبور المجال الترانسونيك: 0.9 ماخ إلى 1.1 ماخ تختفي هذه المشاكل وتستعيد قوانين الديناميكا الهوائية بساطتها ، خاصة من 2 ماخ إلى 4 ماخ

في السرعات الفرط صوتية ، الذي يبدأ حوالي 5 ماخ ، تنشأ صعوبات جديدة. تحدث بشكل رئيسي من ارتفاع درجة حرارة الهواء.

cover-r4x3w1000-5c6f57cd41637-le-projet-htv-2-concu-par-la-darpa-l-agence-de.jpg
 
التعديل الأخير:
شرح حاجز الصوت بالصور

لنفترض أولاً أن نقطة تنبعث منها باستمرار موجات ضغط صغيرة ، حيث تتحرك كل موجة بعيدًا عن النقطة دائمًا بنفس السرعة ، أي سرعة الصوت. الطائرة ثابتة على المدرج تنتقل الموجات الصوتية بعيدًا عنها بسرعة ثابتة ، بطريقة متحدة المركز. تمثل الموجة الصوتية موجة ضغط ، وتمثل الدوائر هنا مناطق الضغط المرتفع.

murexplic.png


1 - إذا تحركت هذه النقطة ، التي يمكن أن تكون طائرة ، بنفسها ، وإذا كانت سرعتها أقل من سرعة الصوت ، فإن موجات الضغط لديها دائمًا وقت للابتعاد عنها ، فإن الرحلة او الطيران يكون دون سرعة الصوت. على الأرض ، يصل إلينا الصوت الصادر عن طائرة دون سرعة الصوت بفترة قليلة قبل أن تمر فوقنا. يرجع هذا الصوت إلى الاختلافات بين مناطق الضغط و كسر التي تحدثها الطائرة في الهواء وسرعتها.

2 - عندما تتحرك النقطة بسرعة الصوت ، وبالتالي عند سرعة موجات الضغط ، فإن الأخيرة لم تعد قادرة على التحرك بعيدًا ، وتتراكم موجات الضغط المتعددة بشكل عمودي في اتجاه الرحلة ، وتكون الرحلة او الطيران عابر للصوت. الطائرة تحلق الآن بسرعة الصوت بالضبط. لذلك فهي يتحرك من خلال ما يطلق عليه "ركوب الأمواج" على الأمواج التي أطلقتها سابقًا.
مناطق الضغط المرتفع ضيقة جدًا وهذا هو المكان الذي يكون فيه الضغط هو الأقوى ، وتتقدم موجة صوتية كبيرة في نفس الوقت مع الطائرة.

3 - عندما تتحرك النقطة أسرع من سرعة الصوت ، تتحرك موجات الضغط للخلف ، وتأخذ شكل مخروط ثلاثي الأبعاد ، وتكون الرحلة و الطيران أسرع من الصوت. هذه المرة ، تتحرك الطائرة أسرع بمرتين من الصوت و تقوم يسحب مخروط من الضغط خلفها ، وكلما كان أضيق كلما سارت بشكل أسرع. يتم ينها خرق حاجز الصوت حينها نسمع دويًا عاليًا عندما تمر الطائرة بالقرب منا ، أو بعد فترة وجيزة إذا كنا بعيدًا عن مسارها. بعد "الانفجار" ، تصل إلينا اصوات المحركات بشكل طبيعي.

qu-entend-dans-avion-qui-passe-mur-son-scaled.jpg

"الانفجار المزدوج"

عندما يكون الضغط هو الأقوى ، يمكن أن يتكثف بخار الماء الموجود في الهواء أحيانًا فجأة ثم يعطي هذه الظاهرة الغريبة. لاحظ موجة الصدمة خلف مظلة قمرة القيادة مباشرة-الصورة في الاسفل-. غالبًا ما توجد بالفعل موجة ضغط ثانية على مقدمة الطائرة، ثم نلاحظ انفجارًا مزدوجًا أسرع من الصوت.

1200x680_maxnewsfr700271.jpg


نحن على الأرض ، على سبيل المثال تحت مسار الطائرة ، إنها تمر فوقنا ، نسمعها فقط بعد مرورها بقليل ، يسبقها الدوي الأسرع من الصوت.
 
التعديل الأخير:
الدوي الصوتي

870x489_maxnewsfr700263.jpg


لكي نفهم تمامًا سبب سماعنا "دويًا" ضخمًا عندما تمر طائرات فوقنا ، يجب علينا أولاً أن ننظر إلى طبيعة الصوت. أي صوت هو في الواقع سلسلة من الاهتزازات. هذه الاهتزازات هي جزيئات الهواء التي تصطدم ببعضها البعض. يولد الدافع (على سبيل المثال الحبال الصوتية) بعض جزيئات الهواء ضمن الحركة. تضرب هذه الجزيئات الجزئيات المحيطة بها، والتي بدورها تصطدم بغيرها، إلخ.

وهكذا يتحرك الصوت في الهواء. الصوت له سرعة: هي سرعة تصادم الجزيئات الواحدة تلو الأخرى. في الظروف العادية ، تتحرك الموجة بسرعة 340 مترًا في الثانية. عندما تطير الطائرة ، فإنها تتسبب في تحرك جزيئات الهواء التي تمر بها. لذلك فهي "تصنع" الضوضاء. تحلق معظم الطائرات بشكل أبطأ من سرعة تحرك الموجات الصوتية لذلك تكون الموجات الصوتية قبل الطائرة. ولكن عندما تقترب طائرة من السرعة البالغة 340 مترًا في الثانية ، فإن الصوت الذي تولده "يتوازي" مع الطائرة ، مما يخلق "جدارًا" من الموجات أمام أنف الطائرة مباشرة.

إذا أرادت الطائرة اختراق هذا "الجدار" ، فعليها أن تتسارع بشدة. ثم تسمع دويّا عالية. خلال هذا الوقت ، تستمر الطائرة في إنتاج موجات صوتية تستمر في التحرك بشكل أبطأ منها. هذا هو سبب استمرار سماع "دوي" حاجز الصوت طالما أن الطائرة تتحرك بسرعة تفوق سرعة الصوت.

mach-cone.png


تساعد الديناميكا الهوائية وجناح الطائرات ، على شكل سهم ، في التغلب على موجات الصدمة. ومع ذلك ، لم يتم العثور على أي طريقة لتجنب الدوي الصوتي ، حيث يبدأ طرف مخروط ماخ من الطائرة وتتجه قاعدته نحو الأرض. وصدمة الهواء المضغوط على طبلة الأذن هي التي تنتج الانفجار.

mach10.gif
mach07.gif
 
التعديل الأخير:
الماخ: سرعة دون سرعة الصوت ، السرعة الصوتية ، وفوق سرعة الصوت

murduson2.jpg


تم تقديم وحدة قياس جديدة تمثل نسبة سرعة الطائرة إلى سرعة الصوت: الماخ ، الذي سمي على اسم الفيزيائي النمساوي إرنست ماخ Ernst Mach الذي درس حركة الأجسام بسرعتها القصوى خلال الغازات، وطوَّر طريقة دقيقة لقياس سرعتها معبرًا عنها بسرعة الصوت. وتعتبر هذه الطريقة مهمة خاصة في مشاكل الطيران الأسرع من الصوت. ويأتي عدد ماخ ودراسة موجات الصدمة على رأس اسهاماته في الفيزياء.

يقال إن الطائرة تطير بسرعة دون سرعة الصوت عندما تكون سرعتها أقل بكثير من سرعة الصوت ، أي أقل من 300 م / ث.

يقال إن الطائرة تطير بسرعة ترانسونيك (أو صوتية) عندما تكون سرعتها بين 300 م / ث و 380 م / ث ، وهو ما يتوافق مع رقم ماخ قريب من 1.

يقال إن الطائرة تطير بسرعة تفوق سرعة الصوت عندما تتجاوز سرعتها 380 م / ث .

رقم Mach (M) هو النسبة بين سرعة الطائرة (v) وسرعة (a) الصوت في الهواء: M = v / a.

سرعة الصوت في الهواء تعتمد على درجة الحرارة M = 1 تتوافق مع 1،235 كم / ساعة لطائرة تحلق على ارتفاع منخفض عند درجة حرارة 20 درجة مئوية ، و 1،055 كم / ساعة على ارتفاع 10000 متر و- 60 درجة مئوية.

M أقل من 0.8 يقال أن السرعة دون الصوتية أو دون سرعة الصوت.

0.8 < ماخ <1.2 سرعة ترانسونيك.

بالنسبة لـ 1.2 < ماخ <5 ، يُقال إنها سرعة أسرع من الصوت.

أكثر من ذلك هو فرط صوتي.

ondes%20de%20choc%20et%20dispersion.gif
 
التعديل الأخير:
تواريخ مهمة في عملية اختراق حاجز الصوت

14 أكتوبر 1947: تشاك ييغر أول من اخترق الحاجز الصوتي ، وحلّق بطائرة X-1 بسرعة 1066 كم / ساعة فوق بحيرة روجرز الجافة في جنوب كاليفورنيا ، على ارتفاع 12000 متر فوق مستوى سطح البحر.

Bell_X-1_46-062_%28in_flight%29.jpg


26 أبريل 1948: حلقت الطائرة الأمريكية XP-86 Sabre بسرعة الصوت.

NAA-XP-86-5-Cr-SanDiegoAirSpace.jpeg


فبراير 1950: الطائرة ميغ 17 تحلق بسرعة 1 ماخ ضمن رحلة أفقية.

M-Sum21-Weapons-1.jpg


12 ديسمبر 1953: وصل الطيار تشاك ييغر إلى سرعة 2.44 ماخ بوساطة الطائرة Bell X-1A.


Bell_X-1A_in_flight.jpg


4 فبراير 1953: كان كونستانتين روزانوف أول طيار اختبار فرنسي يعبر الحاجز الصوتي على متن نموذج طائرة داسو ميستر4.

Dassault_Myst%C3%A8re_IV.jpg


مايو 1953: الطائرة F-100 Super Sabre أول مقاتلة تفوق سرعة الصوت.


1280px-F-100_Rogers_Dry_Lake.jpg


أواخر عام 1953: الطائرة الاختبارية دوغلاس سكاي تصل إلى سرعة 2.005 ماخ.

D-558-II-NASA-E-1442.jpg


27 أكتوبر 1956:الطائرة X-2 تصل إلى سرعة 3.2 ماخ.

1280px-X-2_with_Collapsed_Nose_Wheel_-_GPN-2000-000398.jpg


في عام 1956: الطائرة Fairey Delta 2 ، وهي طائرة تجريبية بريطانية ذات أجنحة دلتا تعمل بمحرك نفاث عادي أثبتت أن طائرة مصممة بشكل صحيح يمكن أن تكسر حاجز الصوت دون الشعور بآثار موجات الصدمة.

Fairey_FD2_XG774_Farnborough_08.09.56_edited-2.jpg



3 أكتوبر 1967: وصل النموذج التجريبي للطائرة الصاروخية الأمريكية X-15 التي يقودها ويليام ج. نايت أطلقت من طائرة بوينج B-52 ستراتوفورتريس ، ثم تم دفعها بصواريخ بقوة دفع 26000 كجم ، ووصلت إلى 7290 كم / ساعة عند 3100 م فوق مستوى سطح البحر.

305019main_E-2478_full.jpg


احداث تثير الجدل

يدعي الطيار الألماني السابق Hans Guido Mutke في لوفتفافه Luftwaffe أنه كان أول من كسر حاجز الصوت في عام 1945 ، قبل عامين من طيار الاختبار الأمريكي الشهير تشاك ييغر.

في عام 1945 ، كان موتكي يتدرب على المقاتلة النفاثة الشهيرة ميسرشميت 262. في 9 أبريل حيث كان في رحلة تدريب على ارتفاع 12000 متر عندما هاجمته مقاتلة موستانج طائرة Me-262 من سربه. بدأ موتكي نزولًا حدا و باقصى سرعة كاملة ، وانقض على الأمريكي للدفاع عن زميله في السرب. في تلك اللحظة ، بدأت الطائرة Me-262 بالاهتزاز بعنف وتوقفت عناصر التحكم عن الاستجابة. بعد هذا الانقضاض المجنون ، تمكن موتكي من استعادة السيطرة على الطائرة. لكن العديد من الأدوات الموجودة على متن الطائرة تضررت وظل عداد السرعة عالقًا عند 1100 كم / ساعة.
 
التعديل الأخير:
في عام 1945 ، كان موتكي يتدرب على المقاتلة النفاثة الشهيرة ميسرشميت 262. في 9 أبريل حيث كان في رحلة تدريب على ارتفاع 12000 متر عندما هاجمته مقاتلة موستانج طائرة Me-262 من سربه. بدأ موتكي نزولًا حدا و باقصى سرعة كاملة ، وانقض على الأمريكي للدفاع عن زميله في السرب. في تلك اللحظة ، بدأت الطائرة Me-262 بالاهتزاز بعنف وتوقفت عناصر التحكم عن الاستجابة. بعد هذا الانقضاض المجنون ، تمكن موتكي من استعادة السيطرة على الطائرة. لكن العديد من الأدوات الموجودة على متن الطائرة تضررت وظل عداد السرعة عالقًا عند 1100 كم / ساعة.

هذة القصة لاتزال حتى اليوم محل خلاف ولايمكن إثباتها او نفيها لأحتماليه الأمر وظروف الطائرة بعد الرحلة
وبما أن الحديث عن أول مقاتلة نفاثة في العالم فالأمر غير مستبعد على الإطلاق

1673204314287.png
 
عودة
أعلى