Physics of Supersonic Free Fall og Race for at opbygge en mere stille Concorde

Hvis du vil bygge en raket med et dristigt nyt design, skal du have en måde at teste sin strukturelle integritet på uden at installere en motor. Du har ikke en vindtunnel, men du er ikke klar til at indrømme. Du tænker på dig selv, "Hvad er flyvning uden fremdrift?" Så besvarer du dit eget spørgsmål: "Falling." Simpelthen sagt, den nemmeste måde at flyve uden at starte er at plummet. Tag en prototype op meget høj, slip den, og du får en følelse af dens ydeevne med fart.

Verdens førende udøver af præcisionsdråben er Japan Aerospace Exploration Agency, eller JAXA, som i grunden er Japans version af NASA. Agenturet forsøger at bygge et praktisk supersonisk fly, hvilket ikke er nemt. Lignende indsatser i fortiden skabte middelmådige produkter, mest berømte Concorde.

Concorde blev plaget af problemer, som forhindrede andre flyselskaber i at vedtage samme slags design til eget håndværk. Et af de største problemer var overskydende støj. Udtrykket "sonic boom" er ikke en misdannelse - at bryde lydbarrieren er et sindssygt højt fænomen. Fabrikanterne måtte designe flyet for at holde passagerernes hoveder ude af eksploderende, og flyruter kunne ikke flyve flyet over land, da intet menneske på jorden vil blive udsat for sådanne destruktivt høje lyde. JAXAs mål er at skabe et roligere supersonisk passagerfly. Og det tester det ud gennem drop tests med en eksperimentel model i Sverige.

Hvordan helvede virker det? I grunden løfter en ballon det ubemandede modelplan - JAXAs Silent SuperSonic Concept Model omkring 18,6 miles op i luften og slipper bare den. Sensorer fastgjort til flyet måler chokbølgerne, da flyet nærmer hastigheder på op til Mach 1.39 i frit fald.

Fysikken i et supersonisk frit fald er ikke alt det, der adskiller sig fra, hvordan et objekt bevæger sig hurtigere end lyden på et vandret plan opererer. Luft bliver kraftigt komprimeret foran flyet, hvilket oversvømmer en højtryksbølge i alle retninger. Denne shockwave begynder at propagere gennem luften, men bliver svagere, da den bevæger sig længere ud og bliver en lydbølge i processen. Dette er den høje eksplosion, vi hører og kalder en sonisk boom.

For at forstå, hvad der er specielt ved et supersonisk frit fald, skal vi se nærmere på, hvad Mach-talene refererer til: forholdet mellem objektets hastighed og lydens hastighed på et bestemt sted. Og lydens hastighed er underlagt ændringer i temperatur og tryk - i højere højder falder lydens hastighed, så et objekt behøver ikke at rejse ved nødvendigvis samme hastighed for at nå Mach 1 et dusin miles i luften som det gør på havniveau. (Hastigheden af ​​lyden ved havniveau er ca. 760 miles i timen).

Derudover er Mach 1 et meget ustabilt miljø på grund af shockwave skabt ved at bryde lydbarrieren. Selv små bevægelser kan have meget kraftige fysiske effekter på objektet. Det værste sted at være er stort set mellem Mach 0,9 og 1,2.

Så når et objekt bevæger sig ved supersoniske hastigheder i frit fald, er det i den usædvanlige position at accelerere hurtigere, mens dens Mach-nummer stiger med en langsommere hastighed. Der spares mere tid i den ustabile Mach-zone end hvis den bevæger sig på et vandret plan. De fleste fly er designet til at bevæge sig forbi Mach 1 og indtaste en sikker zone så hurtigt som muligt. Du kan ikke teste noget sådan i et frit fald eksperiment.

Hastigheden toppes også på grund af træk. Dette er hvad der skete i sandsynligvis den mest berømte forekomst af et objekt, der bevæger sig hurtigere end tyngdekraft: Felix Baumgartners hoppe i 2012 fra ca. 23 miles op i luften for at blive den første skydukker for at bryde lydbarrieren uden brug af et fly. Da Baumgartner faldt ned til Jorden, sluttede han til sidst acceleration på grund af kollisionen med luftmolekyler, der skabte "trækkraft", der blev opbygget som luftmodstand, indtil den blev lige og modsat tyngdekraften. På dette tidspunkt havde Baumgartner nået en maksimal hastighed.

Faktisk, mens de fleste genstande, der når terminalhastigheden, simpelthen vil forblive i konstant hastighed, begyndte Baumgartner faktisk at bremse ned, da den omgivende atmosfære begynder at blive tykkere og tykkere, når et objekt i frit fald bevæger sig ned. Så terminalhastigheden begynder at falde - hvilket betyder, at Baumgartner også begyndte at bremse. Det samme ville sandsynligvis ske med en af ​​de Silent SuperSonic Concept Model-planer JAXA tester.

Videnskab er ligesom de fleste andre ting i livet køligere, når det er hurtigere.