Гэвин Претор-Пинни - Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас

С земли взрывоподобные звуки слышны, когда пронзительно воющий самолет проносится, сопровождаемый ударными волнами высокого и низкого давления. За волной спереди тут же следует волна сзади (обычно оба «хлопка» разделяются слишком незначительным временным интервалом, чтобы их различить как отдельные звуки, если только самолет не летит высоко). Однако для пилота все выглядит иначе — развивая скорость, равную 1 Маха, он никогда не слышит «хлопка», поскольку фронт ударной волны всегда остается чуть впереди носа самолета. Пилот слышит «хлопок» ударной волны только тогда, когда форсирует скорость звука, то есть преодолевает звуковой барьер, который представляет собой всего-навсего ударную волну высокого давления впереди конусообразного носа. О барьере говорят потому, что необходимо значительное усиление тяги, чтобы пройти через эту область повышенного давления. Если скорость звука в воздушной среде, через которую идет самолет, равна 1 190 км/ч, увеличение тяги с 1 190 км/ч до 1 207 км/ч требует гораздо больших усилий, чем увеличение с 1 175 км/ч до 1 190 км/ч, поскольку в таком случае самолет идет со сверхзвуковой скоростью, превышая число Маха, равное 1, и вырывается за область высокого давления, являющуюся фронтом ударной волны. Когда пилот прорывается через звуковой барьер, область высокого давления проходит над кабиной — он слышит «хлопок».

С увеличением скорости (выше 1 Маха) расположение фронта ударной волны меняется. На скорости в 1 Мах фронт вытягивается перед самолетом наподобие гигантской «тарелки» высокого давления, прижатой к носу самолета; такая же «тарелка», только низкого давления, прижата к хвосту. При прорыве самолета через звуковой барьер обе «тарелки» преобразуются в конусы, тянущиеся от носа и хвоста самолета назад. На скорости в 2 Маха, в два раза превышающей скорость звука, эти конусы ударных волн принимают положение под углом в 45°. Если бы сверхзвуковой самолет несся с такой скоростью у вас над головой, вы услышали бы сверхзвуковой хлопок уже после того, как он пролетел над вами — конусы ударных волн дошли бы до вас с опозданием.

Когда воздух (или любая другая газообразная среда) сжимается, он нагревается, а когда расширяется — охлаждается. Вот почему порождаемая сверхзвуковым самолетом ударная волна иногда бывает видима как призрачное, неустойчивое облако — оно называется «воротником» или «яйцом» ударной волны. Поскольку за высоким давлением фронта ударной волны сразу следует область низкого давления, такое резкое снижение давления может охладить воздух — содержащийся в нем водяной пар тут же превращается в облако капелек. В зависимости от скорости, это сверхзвуковое облако принимает форму либо диска (на скорости в 1 Мах), либо конуса (на скорости, превышающей 1 Мах), «насаженного» на фюзеляж самолета.

При известной доле воображения облако можно сравнить с мятной подушечкой жевательной резинки, которую приносят в ресторане вместе со счетом (смотрите следующую страницу).

Звучание ударных волн на сверхзвуковой скорости также меняется — в зависимости от того, на какой высоте самолет летит. На больших высотах каждый конус ударной волны (передний и задний) к моменту достижения земли растягивается — звучат сильные, но глухие хлопки. Однако низколетящий самолет производит более высокие звуки, похожие на пару быстрых выстрелов или даже ударов кнута укротителя львов. (Если уж на то пошло, двух ударов, причем, скоординированных — укротители должны щелкать кнутами практически одновременно.) Но вне зависимости от того, глухие это удары или звонкие щелчки, за ударными волнами тут же следует оглушительный рев двигателей самолета.

Сравнение сверхзвукового самолета и кнута возникло не на пустом месте — в момент щелчка кончик кнута развивает сверхзвуковую скорость, рождающую ударную волну. Термины «удар пастуха» и «удар кучера» к приемам самозащиты никакого отношения не имеют. Так называются техники обращения с кнутом, при которых самый кончик (иначе — растреп) кнута рассекает воздух быстрее скорости звука, порождая щелчок ударной волны. Опытный пастух или кучер воспроизводит подобный удар с кажущейся для постороннего наблюдателя легкостью. Расслабленным движением кисти он посылает энергию в виде волны по веревке кнута и тут же дергает кнутовище на себя, усиливая напряжение. Волна, поначалу двигающаяся на малой скорости, под конец, проходя все сужающуюся веревку, разгоняется до сверхзвуковых значений. Возникает мощная ударная волна — резкий и оглушительный, как выстрел, удар кнута.

Колено возле рукояти, самая толстая часть кнута, сплетено из множества кожаных полос. Кнут постепенно сужается и в конце соединяется с одной-единственной полосой из кожи. К концу этой полосы привязывается растреп — маленький, но очень подвижный шнурок из нейлона или проволоки; именно им пастухи и щелкают.

Как постепенно сужающееся русло реки собирает приливную энергию, формируя крутой и быстрый волновой фронт, так и конец кнута концентрирует энергию, пущенную по кнуту в виде волны, только еще сильнее. Математики из Университета Аризоны вычислили: если диаметр шнурка на самом конце стандартного кнута длиной в 2 м равен одной десятой части кнута возле кнутовища, то при ударе таким кнутом волна перемещается на конце со скоростью, в тридцать два раза превышающей ту, с которой она перемещалась в самом начале{92}.

Попрактиковавшись, можно запросто посылать волну вдоль кнута со сверхзвуковой скоростью. Замедленная съемка специальной аппаратурой показывает: ударная звуковая волна образуется при скорости движения шнурка, превышающей скорость звука в два раза. Э-ге-гей!..

Вы наверняка помните некоторые особенности ударных волн: они возникают внезапно, благодаря резко выраженным фронтам; распространяются быстрее, чем обычные волны. Третье свойство ударных волн — их сильное, порой даже разрушительное воздействие на среду распространения. Сержант Эмме на себе испытал, каково это — ударная волна, пройдя через его череп, вызвала тяжелый ушиб головного мозга. А некоторые солдаты, к несчастью, оказываются слишком близко от взрыва и погибают — ударные волны проходят через их тела.

Когда ударные волны распространяются через воздух, он довольно сильно нагревается — благодаря чрезвычайно высокому давлению фронта некоторых ударных волн. Иногда температура повышается настолько, что воздушная среда меняет свой химический состав. Именно таким образом ударная волна воздействовала на воздух в верхних слоях земной атмосферы; результатом явилось происшествие, ставшее одним из самых драматических в истории освоения космоса. Речь пойдет о злополучном запуске «Аполлона-13» с людьми на борту; аппарат должен был сесть на Луну. Чтобы понять, какую роль в этой драме сыграла ударная волна, вам придется малость покружить вместе с космонавтами, поскольку главные события развивались уже в последние минуты полета.

Мировая пресса освещала запуск 11 апреля 1970 года довольно сдержанно. За год до этого произошла высадка на Луну — событие, вызвавшее настоящий фурор, так что запуск «Аполлона-13» на этом фоне выглядел рядовым.

Однако как только на борту возникла нештатная ситуация, новости о полете заняли первые страницы всех мировых изданий. Каждый этап разворачивающейся драмы передавался в прямом телеэфире — весь мир словно затаил дыхание, гадая, удастся ли трем космонавтам приземлиться целыми и невредимыми.

Трудности возникли на третьи сутки полета, когда один из членов экипажа проводил обычную процедуру — включал вентиляторы, которые перемешивали жидкий кислород в двух бачках для двигательных отсеков. При выполнении процедуры произошло замыкание оголенных проводов в одном из бачков, приведшее к взрыву бачка. В результате сорвало панель отделения четвертого двигательного отсека (присутствие экипажа в отсеке не предполагалось — в нем размещались двигательные установки, электрическое оборудование и устройства для кондиционирования воздуха). Кроме того, взрыв повредил другой бачок.

Услышав сильный удар, космонавты поняли только одно — произошло нечто серьезное. Загорелась световая сигнализация, нарушилась работа силовых установок, приборы «сбрендили». Но экипаж по-прежнему толком не понимал, в чем дело. Командир экипажа Джим Ловелл посмотрел в иллюминатор и заметил вытекающий в открытый космос кислород. Именно тогда он соединился по радиосвязи с Центром управления полетами, произнеся ставшую впоследствии знаменитой фразу: «Хьюстон, у нас проблемы».