پايه فيزيك جديد در قرن هفدهم توسط گاليله گذارده شد. ترازوي آبي- ميزان الحراره و دوربين نجومي از اختراعات و كشفيات او مي باشد. رصدهاي دقيق گاليله او را به سلسله هيئت كوپرنيك هدايت نمود و برعكس نظريه قدما كه زمين را مركز عالم مي دانستند ثابت كرد كه مركز عالم شمسي خورشيد است نه زمين. اگرچه اول مخترع ميزان الحراره گاليله مي باشد ولي نقطه ذوب يخ را براي صفر ميزان الحراره (دماسنج) هوك قرار داد و ثبوت غليان آن را هالي تعيين كرد. دكارت قوانين انكسار و تئوري قوس قزح را بنا نهاد. توريچلي نيز ميزان الهوا (دماسنج) را ساخت. نيوتن منجم، رياضيدان و فيزيكدان انگليسي جاذبه عمومي عالم را كشف كرد. بويل ماشين تخليه هوا را كه قاضي عدليه شهر ماگدبورگ اختراع كرده بود تكميل نمود. اگرچه قرن هجدهم براي فيزيك به درخشندگي قرن هفدهم نمي باشد ولي آن را قرن بي ثمري هم نمي توان ناميد.
در اين قرن دوفه جذب و دفع هاي الكتريكي را تحت تحقيق درآورد و الكتريسيته اين است كه دو الكتريسيته هم جنس يكديگر را دفع و دو الكتريسيته مخالف همديگر را جذب مي نمايند. خلاصه كارهاي دوفه به تجسسات بي فايده علما خاتمه داد و از آن به بعد الكتريسيته وارد تاريخ تازه اي شد. سال 1800 تجربه گالواني، ولتا را به اختراع پيل يعني اساس الكتريسيته جاري هدايت كرد. در اين قرن خيالي هواپيمايي كه از آرزوهاي ديرينه بشر بود در ذهن اروپائيان قوت گرفت از جمله دو برادر ميشل منگفليه و اتين منگفليه رئيس كارخانه كاغذ سازي آننه كه در پنجم ژوئن سال 1783 بالني درست كرده و به هوا فرستادند بسياري از دانشمندان براي كشفيات علمي با بالن هاي مدور به ارتفاعات بالا رفته اند از جمله گي لوساك فيزيكدان و شيميدان معروف فرانسوي كه تا حدود 7000 متري رفت و ملاحظه نمود كه در اين ارتفاع هوا به قدري خشك مي باشد كه پوست بدن جمع مي شود و كاغذ و مقوا مثل اينكه در مجاورت آتش شديدي باشند پيچيده و لوله مي شوند در قرن نوزدهم دامنه فيزيك بسط شاياني پيدا كرد و مخصوصاً استفاده از آلات فيزيكي در صنايع و كارخانجات روز به روز رو به افزايش نهاد. در سال 1801 كارليسل و نيكلسون آب را تجزيه كردند. در سال 1807 ديوي به وسيله تجزيه الكتريكي املاح قليايي سديم و پتاسيم را به دست آورد. پلانته آ كومولاتر را ساخت. ارستد دانشمند دانماركي ثابت كرد كه جريان الكتريسيته عقربه مغناطيسي را كه هميشه به جهت ثابتي متوجه است منحرف مي سازد (1819). بايد دانست كه مبحث مغناطيس الكتريكي نتيجه اكتشافات دو دانشمند برجسته يعني ارستد و آمپر مي باشد. فارادي نيز الكتريسيته را بنا نهاد. آراگو قانون آمپر را تكميل كرده و گائوس از بزرگترين منجمين و رياضيدانان آلماني اختراع تلگراف را تكميل كرد . بعدها طبيعي دان آمريكايي بنام مرس الفبايي براي تلگراف درست كرده و دستگاه آن را ساخت. بالاخره پس از آنكه دامنه الكتريسيته وسعت يافت، واسطه انتقال اخبار جريات الكتريسيته شد.

ارنست رادرفورد یک فیزیکدان هسته‌ای اهل نیوزلند بود.

او در تاریخ ۳۰ ماه اوت سال ۱۸۷۱ در حومه برایت‌واتر شهر نلسون واقع ساحل شمالی جزیره جنوبی نیوزلند به دنیا آمد. او چهارمین فرزند از دوازده فرزند جیمز و مارتا رادرفورد نیوزیلندی‌های نسل اول بود که از کودکی از اسکاتلند به زلاند نو آورده شده بودند. خانواده رادرفورد در یک خانواده پر جمعیت دوازده بچه‌ای بود که اعضای آن همه در انجام کارهای روزمره خانواده مشارکت می‌‌کردند اهل خانه همه افرادی جدی کلیسا رو، خوشحال و با فرهنگ بودند. علاقه مندی رادرفورد به علوم در مرحله زودی بروز کرد. او ده ساله بود که کتاب پرطرفداری بنام خواندنی‌های اولیه در فیزیک تالیف معلمی بنام بالفور استوارت به دست آورد. کتاب استوارت مشابه کتابهای خود آموز فیزیک اموزی بود که در آنها نحوه به نمایش درآوردن اصول پایه فیزیک یا استفاده از اشیای ساده موجود در خانه مانند سکه، شمع، سنگ وزنه و وسایل آشپزخانه به خواننده یاد داده می‌شود. رادرفورد جوان سخت شیفته آن کتاب شده بود نخستین بورس از بورسهای تحصیلی متعدد زندگی خود را در سال ۱۸۸۷ که ۱۶ ساله بود به دست آورد.

بورس تحصیلی دومی وی را قادر به ثبت نام در دانشکده کنتربوری شهر کرایست‌چرچ کرد که مؤسسه‌ای بود که در سال پیش از تولد خود او بوجود آمده بود. وی رشته‌های تحصیلی اصلی خود را فیزیک و ریاضیات انتخاب کرد که از بخت مساعد در هر دوی آنها معلمان خوبی هم داشت. رادرفورد در پایان دوره آموزشی سه ساله خود درجه کارشناسی ریاضی و فیزیک – ریاضی و (بطور کلی) علوم فیزیکی به پایان رسانید. نکته قابل ذکر در رابطه با زندگی خصوصی وی در ایام اقامت در کریستچرچ اینکه وی در آنجا با ماری نیوتن دختر صاحبخانه خود آشنا و پیبند عشق او شد. رادرفورد در پی انتشار دو مقاله مهم در باره فعالیت تشعشعی مواد در سال ۱۸۹۵ بر خلاف دوم شدن در گزینش جایزه مهمی به شکل یک بورس تحصیلی دریافت کرد مقررات اعطای جایزه حق انتخاب مؤسسه آموزشی را به خود برنده جایزه می‌‌داد که رادرفورد آزمایشگاه کاوندیش دانشگاه کمبریج به مدیریت جی .جی تامسون(صاحب نظر پیشتاز جهان در زمینه الکترومغناطیس) را برگزید در آن سال ویلهلم کنراد رونتگن فیزیکدان آلمانی موفق به کشف اشعه ایکس شد کشف مهم دیگری که منجر به شروع کار اصلی رادرفورد شد.

کشف هانری بکرل فرانسوی در سال ۱۸۹۸ بود. رادرفورد در سال ۱۸۹۵ به آزمایشگاه کاوندیش دانشگاه کمبریج آمد تا در آنجا تحت مدیریت جی.جی امسون مشغول به کار شود تامسون که استاد فیزیک تجربی بود رادرفورد را فعالانه در آزمایشگاه به کار گرفت رادرفورد در اوایل کار تحقیقاتی خود با انجام آزمایشی که فکر آن از خود وی بود دو تابش رادیواکتیوی ناهمانند شناسایی کرد او پی برد که بخشی از تابش با برگه‌ای به ضخامت یک پانصدم سانتی متر قابل ایستادن بود اما برای متوقف کردن بخش دیگر برگه‌های بس ضخیم تری لازم بود او اولین اشعه‌ای را که تابشی با بار الکتریکی مثبت و یونیده کننده‌ای قوی بود و به سهولت در مواد جذب می‌‌شد اشعه آلفا نام داد. اشعه دوم را که تابشی بار الکتریکی منفی بود و تشعشع کمتری ایجاد می‌‌کرد اما قابلیت نفوذ آن در مواد زیاد بود اشعه بتا نامید. تابش نوع سومی که شبیه پرتوهای ایکس بود در سال ۱۹۰۰ بوسیله پل اوریچ ویلارد(فیزیکدان فرانسوی) کشف شد این پرتو نافذترین تابش را داشت. طول موج آن بسیار کوتاه و بسامد آن فوق العاده زیاد بود تابش جدید، پرتو گاما نام گرفت. رادرفورد و همکارانش کشف کردند که فعالیت تشعشعی طبیعی مشهود در اورانیوم: فرآیند خروج ذره آلفا از هسته اتم اورانیوم بصورت یک هسته اتم هلیم و بر جای ماندن اتمی سبکتر از اتم اورانیوم در اورانیوم به ازاء هر خروج ذره آلفا از آن است از کشف آنها نتیجه گیری شد که رادیوم تنها عنصر از شرته عناصر حاصل از فعالیت تشعشعی اورانیوم است.

رادرفورد در سال ۱۹۰۳ به عضویت انجمن سلطنتی لندن در آمد و در سال ۱۹۰۴ نخستین کتاب خود به نام فعالیت تشعشعی را که امروزه از کتب کلاسیک نوشته شده در آن زمینه شناخته می‌شود، منتشر کرد شهرت رو به افزون رادرفورد در جوامع علمی سبب شد که از طرف دانشگاه‌ها تصدی کرسی‌های زیادی به وی پیشنهاد شود او در سال ۱۹۰۷ به انگلستان بازگشت تا تصدی مقام مذکور را در دانشگاه منچستر به عهده بگیرد رادرفورد در دانشگاه منچستر رهبر گروهی شد که به سرعت دست به کار تدوین نظریه‌های تازه در باره ساختار اتم شد آن دوره پر ثمرترین دوره زندگی دانشگاهی او بود رادرفورد به پاس کوششهای علمی خود در دانشگاه منچستر نشانها و جوایز زیادی دریافت کرد که دریافت جایزه نوبل سال ۱۹۰۷ در شیمی نقطه اوج آن بود این نشان افتخار را البته برای کارهایی که در کانادا در زمینه فعالیت تشعشعی عناصر کرده بود به او دادند بزرگترین دستاورد رادرفورد در دانشگاه منچستر کشف ساختار هسته اتم بود پیش از رادرفورد اتم به گفته خود او یک موجود نازنین سخت و قرمز و یا به حسب سلیقه خاکستری بود اما اینک یک منظومه شمسی بسیار ریز متشکل از ذرات بی شمار بود که مظنون به نهفته داشتن اسرار ناگشوده متعدد دیگر در سینه هم بود.

رادرفورد در سال ۱۹۳۷ در اثر یک فتق محتقن(گونه‌ای تورم ناشی از انسداد اعضای درونی) در گذشت او در آن هنگام ۶۶ ساله و هنوز سرزنده و قوی بود سهم رادرفورد در شکل گیری درک کنونی ما از ماهیت ماده از هر کس دیگری بیشتر است او اشکارا بزرگترین فیزیکدان آزمایشگری به بزرگی او نیامده بود دهها انجمن علمی و دانشگاه به او عضویت و درجات دانشگاهی افتخاری دادند او را پدر انرژی هسته‌ای نامیده اند.

دو برادر دوقلو را که یکی فضانورد است و دیگری یک شغل عادی دارد، در نظر بگیرید. پس از گذشت سالیان متمادی زمانی که هر دو به خانه برمی گردند، در کمال تعجب، برادر فضانورد جوانتر از دیگری به نظر می رسد.

این همان نظریه دوقولوی (Twin) آلبرت انیشتین (Albert Einstein) است. هرچند ممکن است عجیب به نظر برسد، اما طبق نظریه نسبیت انیشتین کاملا درست است. تئوری نسبیت به ما می گوید که با سریعتر شدن سرعت حرکت در فضا، سرعت پیشروی زمان کندتر می شود. بنابراین به نظر می رسد سفر به فضا، روش مناسبی برای جوان ماندن باشد.

 

یک نظر مخالف

اخیرا برخی از محققین به نتایجی مغایر با نظریه فوق دست یافتند و معتقدند سفر به فضا، تاثیری کاملا برعکس دارد و حتی ممکن است انسان را به پیری زودرس دچار کند.

فرانک کوچینوتا (Frank Cucinotta) - از دانشمندان برجسته ناسا (NASA) در زمینه تشعشعات - در مرکز فضایی جانسون، در این باره می گوید: "مشکل نظریه انیشتین این است که ما نمی توانیم تشعشات فضایی و روند طبیعی گذر عمر را در علم بیولوژی بگنجانیم."

او می افزاید: "حرکت در فضا امکان نفوذ اشعه به داخل کروموزم های شخص را ایجاد می کند، این عمل ممکن است به تلومرها (telomer) - سرپوش مولکولی کوچکی در انتهای DNA - آسیب برساند. با بازگشت به زمین، فقدان تلومرها ارتباط مستقیم با سالخوردگی پیدا می کند."

 

تاکنون تاثیرات ایستگاههای فضایی و شاتل ها بر فضانوردان، البته در صورت وجود، بسیار اندک بوده؛ این فضانوردان دائما درون میدان مغناطیسی محافظ زمین - که باعث انحراف اشعه ها می شود - در گردشند.

 

تجارب واقعی

ناسا در نظر دارد در سال 2018، فضانوردان را به منظور رجعت به ماه و نهایتا سفر به مارس، به خارج از این حلقه محافظ بفرستد. در چنین ماموریت هایی فضانوردان برای هفته ها یا ماه های متوالی در معرض اشعه خواهند بود. ناسا بسیار مشتاق است که بداند آیا خطر "پیری در اثر اشعه" واقعا وجود دارد یا خیر؟ و در صورت مثبت بودن نتیجه، به فکر چگونگی حل این مشکل باشد؟

طبق اظهارات جری شی (Jerry Shay) - یک دانشمند سلول شناس در مرکز پزشکی دانشگاه تگزاس، دانشمندان به تازگی درگیر این سئوال شده اند، درحقیقت در حال حاضر اطلاعات علمی دانشمندان در زمینه ارتباط بین تابش اشعه ها و از بین رفتن تلومرها بسیار محدود است، اما اخیرا با حمایت های ناسا مشغول مطالعه مورد مذکور هستند. نتایج چنین تحقیقاتی برای همگان - چه بر روی زمین و چه در فضا - مفید خواهد بود.

عملکرد فیوز مانند تلومرها در سلول

تلومرها مانند فیوز یک بمب ساعتی به صورت شاخه های بلندی از DNA ها هستند که هر بار با تقسیم سلولی کوتاه می شوند. زمانی که تلومرها بیش از حد کوتاه شوند، عمر آن سلول به اتمام رسیده و دیگر قادر به تقسیم شدن نیست، این مرحله به عنوان "پیری در اثر تکرار" شناخته شده است.

اگر چنین فیوزی در داخل هر سلول بدن انسان موجود نباشد، سلول ها قادر به ادامه رشد و تقسیم نامحدود نیستند. در واقع، دانشمندان بر این باورند که به علت وجود تلومرهاست که تعداد دفعاتی که اکثر سلول های بدن انسان می توانند تنها 50 تا 100 بار تقسیم سلولی انجام دهند.

یکی از تئوری های اخیر مطرح شده در زمینه پیری زودرس می گوید :"به مجرد اینکه سلول های بدن افراد با محدودیت تحمیل شده از طرف تلومرها مواجه می شوند، کمبود سلول های جدید و تازه باعث بروز علائم پیری مانند چروکیدگی پوست، افتادگی اندام ها و نهایتا ضعیف شدن سیستم ایمنی بدن، می شوند."

تحقیقات جدیدی که توسط فرانک کوچینوتا و همکارانش انجام شده، نشان داده که تشعشعات حاصله از "هسته های فلزی" - که جزء اصلی هر اشعه است - به طور قطع به تلومرهای سلول های بدن انسان آسیب می رسانند.

به منظور اثبات این قضیه، آنها در نوع بخصوصی از سلولهای خون انسان به نام لیمفوسایت (lymphocyte) را در لابراتوار در معرض هر دو اشعه گاما و اشعه فلزی قرار دادند. کوچینوتا در این باره اظهار داشته :

"ما به نتایج شگفت آوری در این باره دست یافتیم، اشعه فلزی بیش از اشعه گاما در تخریب تلومرها موثر است، این تفاوت ممکن است به دلیل فضای وسیع تری باشد که اشعه فلزی تحت الشعاع قرار می دهد."

به هر حال اگر دانشمندان تشخیص دهند که کدام نوع اشعه بر تلومرها تاثیر منفی دارد، قادر به یافتن روشی برای اجتناب از آن نیز خواهند بود.

آنچه مسلم است هدف اصلی ناسا از انجام این تحقیقات، جوان نگه داشتن فضانوردان یا حداقل جلوگیری از پیری زودرس آنها است.

science.nasa.gov

منبع : سايت فريا

تاریخچه
در اعصار آغازین دوران هوانوردی ابتدایی ، هواپیماها بیشتر با سرعتهای بسیار پایین نسبت به هواپیماهای امروزی پرواز می‌کردند که حتی به بیشتر از ۳۰۰ کیلومتر در ساعت نمی‌رسید؛ در حالی که چنین سرعتی ، سرعت مطلوب برای تیک آف یا برخاست یک هواپیمای جنگنده امروزی است و رسیدن به چنین سرعتی ، ابداً مستلزم تلاش بسیار و فشار آوردن بیش از حد به موتور نمی‌باشد. اما رفته رفته ، سرعت هواپیماها حتی با موتورهای پیستونی گاها بالای ۶۵۰ کیلومتر بر ساعت رسیده و از آن زمان بود که دانشمندان علوم آیرودینامیک دریافتند که با افزایش سرعت ، به تدریج میزان پسا افزایش پیدا کرده و در سرعت معینی ، دیگر هواپیما قادر به سرعت گرفتن نبوده گاه نیز استال می‌شوند.

 

 

در آن زمان  علت این موضوع بدین گونه بیان شد که با افزایش سرعت ، به تدریج سرعت گردش انتها یا نوک پره‌های پروانه موتور ، به سرعت صوت نزدیک شده و سرانجام در حداکثر سرعت یک هواپیمای پیستونی که حدود ۹۵۰ کیلومتر می‌باشد، سرعت انتهای پره‌ها از سرعت صوت گذشته و پسا یا درگ بسیاری ایجاد می‌شود که خود مانع سرعت گرفتن بیشتر هواپیماست. در چنین سرعتهایی ، پروانه موتور هواپیماهای پیستونی ، نه تنها تراست یا نیروی کشش تولید نمی‌کند، بلکه در اثر سرعت بسیار زیاد ، تبدیل به یک دیسک یا دایره توپر چرخنده می‌شود که جز ایجاد درگ و پسا ، کار دیگری انجام نمی‌دهد.

آیرودینامیستهای آن زمان این حد را یک محدوده سرعت یا همان دیوار صوتی در نظر گرفته و بسیاری از آنان نیز بر این عقیده بودند که گذشتن از دیوار صوتی و پشت سر گذاشتن آن ، کاری غیر ممکن است؛ اما با ورود به عصر جت و پیشرفت علم آیرودینامیک ، این کار برای جنگنده‌های امروزی کاری بس سهل و آسان است.

اولین بار خلبانی آمریکایی به نام چاک ییگر ، با انجام اصلاحاتی بر روی یک بمب افکن قدیمی آن را به چهار موتور موشکی مجهز کرده و بر فراز بیایانی در آمریکا ، پس از جدا شدن از هواپیمای مادر، به پرواز در آورد. پس چند ثانیه پرواز هواپیمای پرتقالی رنگ ملقب به X-۱ به صورت گلاید، خلبان چهار موتور موشکی خود را روشن کرده و پس از چند لحظه صدایی رعد آسا در آسمان شنیده شد که همان نتیجه شکستن دیوار صوتی برای اولین بار در جهان بود. در این آزمایش ، این هواپیما به سرعت ۱۶/۱ ماخ دست یافت، و با ورود به عصر جت ، رویای شکستن دیوار صوتی و پا گذاشتن به سرعت صوت نیز به واقعیتی بسیار قابل لمس مبدل گشت.

خصوصیات صوت و دیوار صوتی
خصوصیات صوت و دیوار صوتی چیست و چرا گذر از آن نیازمند قدرت و کشش و توانایی زیادی است. صوت ، در شرایط عادی (دما ، فشار و … معمولی) در سطح دریا دارای سرعتی معادل ۳۳۲ متر بر ثانیه یا ۱,۱۹۵ کیلومتر بر ساعت می‌باشد که این سرعت ، با افزایش ارتفاع و کاهش فشار و تراکم هوا ، کاهش یافته و در ارتفاعات بالاتر ، صوت فواصل را با سرعت کمتری می‌پیماید. این مسئله بدین صورت است که صوت از طریق ضربات ملکولهای هوا به یکدیگر و انتقال انرژی آنها فضا را طی می‌کند و هر چه تعداد مولکولها در یک حجم معین بیشتر باشند، انتقال انرژی زودتر صورت پذیرفته و صوت با سرعت بیشتری انتقال می‌یابد؛ چنانکه سرعت صوت در مایعات بیشتر از هوا و در جامدات بسیار بیشتر از مایعات و هوا و معادل ۶۰۰۰ کیلومتر بر ساعت است.

پس در نتیجه افزایش ارتفاع ، تعداد ملکولها در یک حجم معین کاهش یافته و صوت با سرعت کمتری فضا را می‌پیماید. دیوار صوتی ، شیئی فیزیکی و قابل روئیت نیست؛ بلکه به دلیل اینکه گذشتن از سرعت صوت نیازمند توان بسیار بالای موتور و آیرودینامیک بسیار خوب می‌باشد، این حد را یک مانع برای رسیدن به سرعتهای بالاتر دانسته و از آن به نام دیوار صوتی یاد می‌کنند. عدد ماخ ، در حقیقت همان نسبت سرعت شیء پرنده یا همان هواپیما به سرعت صوت محیط است که به احترام دانشمندی آلمانی که برای اولین بار چنین مقیاسی را در نظر گرفت، آن را «ماخ» نام نهادند. پس عدد ماخ ، کمیتی متغیر است و بسته به خصوصیات هوا مانند دما و فشار ، تغییر کرده و کاهش یا افزایش می‌یابد.

عامل ایجاد دیوار صوتی
امواج ضربه‌ای یا Shockwaves در حقیقت همان عامل اصلی ایجاد دیوار صوتی هستند. امواج ضربه‌ای ، تغییری ناگهانی در فشار و دمای یک لایه از هواست که می‌تواند به لایه‌های دیگر منتقل شده و به صورت یک موج فضا را بپیماید. برای درک بهتر مطلب ، وقتی که سنگی در آب انداخته می‌شود، موجهایی در آب بوجود می‌آیند که به سمت خارج در حال حرکتند. این امواج ، نتیجه افزایش سرعت یا اعمال نیرو به لایه‌ای از ملکولهای آب است که قادر به انتقال به لایه‌های دیگر نیز می‌باشد، و امواج ضربه‌ای نیز ، همان امواج درون آب هستند، با این تفاوت که آنها در سیالی دیگر به جای آب به نام هوا ، تشکیل می‌شوند.

در سرعتهای نزدیک سرعت صوت ، فرضیه غیر قابل تراکم بودن هوا رد شده و ضریب تراکم هوا به ۱۶% در می‌رسد، که مقداری غیر قابل چشم پوشی است. در این سرعتها هوای جلوی بال یا لبه حمله به شدت متراکم گشته و دما و فشار آن به طرز قابل توجهی افزایش می‌یابد، همین مسأله ، یکی از عوامل ایجاد امواج ضربه‌ای است. هواپیما با حرکت خود در هوا ، نظم فشار هوای محیط را بر هم می‌زند و همانند قایقی که در آب در حال حرکت است، امواجی از آن ساطع شده و به دلیل اینکه این امواج با سرعت صوت حرکت می‌کنند و هواپیما زیر سرعت صوت در حال سیر است، از آن دور می‌شوند.

اما کم کم ، با نزدیک شدن به سرعتهای ترانسونیک و حدود سرعت صوت ، این امواج فرصت دور شدن از هواپیما را نداشته و در جلوی بال متراکم می‌شوند. در مناطقی از بدنه هواپیما که سطوح ناموزونی نسبت به جهت حرکت هواپیما دارد، سرعت گذر هوا افزایش یافته و بر اساس اصل برنولی ، با افزایش سرعت سیال ، فشار آن کاهش می‌یابد. در چنین سرعتهایی ، هوای اطراف این سطوح به سرعت صوت می‌رسد، گر چه هواپیما هنوز به سرعت صوت نرسیده باشد. در نتیجه رسیدن بعضی سطوح به سرعت صوت ، امواج ضربه‌ای تولید شده و درگ یا پسای فراوانی را قبل از رسیدن به سرعت صوت تولید می‌کنند، که همین مسأله گذر از دیوار صوتی را مشکل می‌نماید.

عدد ماخ بحرانی
به سرعتی که در آن حداقل یکی از سطوح هواپیما به سرعت صوت رسیده باشد، گر چه این پدیده در مورد خود هواپیما صادق نباشد، عدد ماخ بحرانی یا Critical Mach Number می‌گویند. عدد ماخ بحرانی را می‌توان به سرعتی که نمودار پسا در مقابل سرعت سیر صعودی می‌گیرد، نیز تعریف نمود. در این سرعت ، فرامین هواپیما کم کم شروع به درست جواب ندادن کرده و حالتی شبیه به کوبیدن بر روی بال توسط امواج ضربه‌ای بوجود می‌آید که با گذر از دیوار صوتی ، فرامین هواپیما به حالت طبیعی خود باز می‌گردند.

بنابراین ، در سرعتی که هواپیما به عدد ماخ بحرانی خویش می‌رسد، پسا به دلیل ایجاد امواج ضربه‌ای بطور قابل توجهی افزایش می‌یابد، پس ، باید تلاش بر آن باشد تا عدد ماخ بحرانی هر چه بیشتر با بهبود ویژگیهای آیرودینامیکی افزایش یابد، چون اگر این اتفاق در سرعتهای پایین‌تر رخ دهد، هواپیما نیز باید از سرعت پایین‌تری جدال با افزایش پسا را شروع کند.

چرا با تولید امواج ضربه‌ای ، پسا افزایش می‌یابد؟
قانونی در مبحث دیوار صوتی بیان می‌کند که هر جریان هوایی که از یک موج ضربه‌ای بگذرد، موج ضربه‌ای انرژی جنشی سرعتی آن را گرفته و در خور تبدیل به گرما و افزایش فشار می‌کند، در نیتجه سرعت جریان هوای گذرنده از موج ضربه‌ای به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد. با کاهش سرعت جریان هوا در جلوی بالها در سرعتهای نزدیک سرعت صوت ، تلاش پیشرانه یا موتورهای هواپیما باید چند برابر شود تا اثر کاهش سرعت در اثر موج ضربه‌ای را خنثی نماید. در صورتی که عدد ماخ بحرانی هواپیمایی پایین باشد، در سرعتهای پایین باید نیروی رانشی هواپیما چند برابر شود که مصرف سوخت فوق العاده‌ای را برای گذر از دیوار صوتی به دنبال خواهد داشت؛ اما، در صورت بالا بودن عدد ماخ بحرانی ، هواپیما فقط مدت کوتاهی نیازمند قدرت و کشش بسیار زیاد برای شکستن دیوار صوتی می‌باشد.

با اعمال نیروی فراوان رانشی ، سرانجام هواپیما بر مشکل پسای زیاد فائق آمده و از دیوار صوتی می‌گذرد. در نتیجه این عمل ، امواج تولید شده توسط هواپیما از آن جا مانده و پشت سر هواپیما حرکت می‌کنند. در این حالت ، وضعیت به حالت عادی بازگشته و پسای ایجاد شده به وضعیت نرمال باز می‌گردد. بعضی از هواپیماها از تمام نیروی پس سوزشان یا ۱۰۰% قدرت موتور برای گذر از دیوار صوتی و یا سرعت ۱,۱۹۵ کیلومتر بر ساعت استفاده می‌کنند، در حالی که در سرعتهای بسیار بالاتر ، تنها از ۳۰% قدرت موتور برای رانش به جلو بهره می‌جویند. با دقت در این مثال ، می‌توان به خوبی افزایش درگ و پسا و قدرت فروان لازم برای غلبه بر آن در سرعتهای نزدیک به سرعت صوت را درک و تجزیه و تحلیل نمود.

اثرات شکست دیوار صوتی
امواج ضربه‌ای توسط هواپیما در سرعت صوت ، بسیار قدرتمند می‌باشند، چنانکه در صورت پرواز هواپیما نزدیک به زمین و گذر آن از دیوار صوتی ، امواج ضربه‌ای با منتهای قدرت به اجسام زمینی مانند شیشه‌های منازل و ساختمانها برخورد نموده و باعث شکستن آنها می‌شود، یا حتی اگر شخصی در معرض امواج ضربه‌ای بطور مستقیم قرار گیرد، احتمال از دست دادن شنوایی و پاره شدن پرده گوش بسیار است.

از امواج ضربه‌ای ، در بمبها و تسلیحات دیگر نیز استفاده می‌شود. بمبها با یک افزایش دما و فشار ناگهانی در لایه‌هایی از هوا ، امواج ضربه‌ای بوجود آورده که از طریق هوا انتقال یافته و باعث شکستن شیشه‌ها و تخریب دیوارها نیز می‌شود. اگر شخصی در فاصله‌ای نسبتاً نزدیک در فضایی تهی از هوا و خلاء ، حتی نزدیک یک بمب ده تنی ایستاده باشد، بر فرض منفجر کردن بمب ، آسیبی به وی نخواهد رسید، چون هوایی برای انتقال امواج ضربه‌ای وجود ندارد.

به دلیل تولید امواج ضربه‌ای در سرعتهای حدود سرعت صوت ، خلبانان سعی می‌کنند فقط مدت کوتاهی در چنین سرعتهایی ترانسونیک پرواز کرده و به زودی از دیوار صوتی گذر کنند، چون پرواز در این سرعتها نیروی بسیار زیاد موتور در نیتجه افزایش فوق العاده میزان مصرف سوخت را در پی دارد.

صدای انفجار
امواج حاصله از حرکت هواپیما یا صدای تولید شده در اثر حرکت ، هر بار در سرعتهای زیر سرعت صوت از هواپیما دور شده و به گوش شنونده می‌رسد. اما با رسیدن هواپیما به سرعت صوت، این صداها دیگر فرصت دور شدن از هواپیما را نداشته و کلاً در جلوی هواپیما جمع می‌شوند. با گذر از سرعت صوت ، صدایی چند ده برابر شده از حرکت هواپیما باهم به گوش شنونده می‌رسد که مانند یک انفجار شدید یا صدای رعد و برقی بسیار قدرتمند می‌باشد. شاید در تصاویر هواپیماهای در حال گذر از دیوار صوتی ، هاله‌ای سفید رنگ را در اطراف هواپیما مشاهده کرده باشید. در هنگام گذر از دیوار صوتی ، اگر هواپیما نزدیک به زمین و در محیطی مرطوب با درصد بخار آب زیاد باشد، بخار آب هوا در اثر امواج ضربه‌ای فشرده شده و ابر سفیدی را برای چند ثانیه پدید می‌آورند که همان هاله سفید رنگ قابل روئیت در تصاویر است. اما از امواج ضربه‌ای در موتورهای جت نیز استفاده می‌شود. بدین گونه که ، هوا ورودی در موتورهای جت ، حتی اگر هواپیما با سرعتهای بالای صوت پروزا نماید، باید زیر سرعت صوت باشد تا قابلیت احتراق را در موتور داشته باشد.

طراحی هواپیما
بنابراین ، اکثراً در ورودی موتورهای هواپیماهای جنگنده مخروطی را به شکل کامل یا نصف مانند هواپیماهای میگ ۲۱ یا اف ۱۰۴ ستارفایتر دیده می‌شود، که فلسفه ایجاد این مخروط تولید عمدی امواج ضربه‌ای است. در صورت تولید امواج ضربه‌ای ، هوای عبوری از میان آن با سرعت کاهش یافته یا زیر صوت وارد موتور می‌شود و فرآیند احتراق بطور کامل انجام می‌پذیرد. برای انجام پروازهای مافوق صوت ، اغلب هواپیماهای جنگنده از مقطع بالهای ویژه‌ای که عدد ماخ بحرانی را به حداکثر می‌رسانند، استفاده می‌نمایند و مقطع بالها معمولاً بسیار نازک و متقارن می‌باشد.

به عقب برگشتگی بالهای هواپیماهای مدرن نیز در نتیجه تلاش برای افزایش عدد ماخ بحرانی بوده ، چرا که آزمایشهای تونل باد نشان داده که با به عقب برگشتگی بالها به میزان چند درجه عدد ماخ بحرانی به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد، تا جایی که هواپیماهای مسافربری سریع السیر مانند بوئینگ ۷۴۷ که در حدود سرعت صوت یا حدود ۹۸۰ کیلومتر بر ساعت پرواز می‌کنند، نیز به بالهایی به عقب برگشته مجهزند.

در برخی از هواپیماها ، مانند هواپیمای اف ۱۴ تامکت ، از سیستم بالهای متغیر استفاده شده که در این سیستم ، در سرعتهای پایین که از عدد ماخ بحرانی خبری نیست بالها گسترده می‌شوند و برای فراوانی تولید می‌کنند، ولی رفته رفته با نزدیک شدن به سرعت صوت ، کامپیوتر موجود در این سیستم خود زاویه لازم برای افزایش عدد ماخ بحرانی را محاسبه کرده و بال را متناسب با زوایه آن تغییر داده و به عقب بر می‌گرداند. این سیستم به دلیل هزینه‌های بالا و سنگینی بیش از حد آن ، دارای استفاده محدودی می‌باشد.

دسته بندی هواپیماها
هواپیماها کلاً از نظر سرعت نسبت به سرعت صوت به چند دسته زیر تقسیم می‌شوند:

هواپیماهای زیر سرعت صوت یا مادون صوت با محدوده سرعت ۳۵۰ تا ۹۵۰ کیلومتر بر ساعت ، Subsonic
هواپیماهای حدود سرعت صوت با محدوده سرعت ۹۵۰ تا ۱۲۰۰ کیلومتر بر ساعت ، Transonic
هواپیماهای سرعت صوت با محدوده سرعت دقیقاً سرعت صوت نسبت به محیط ، Sonic
هواپیماهای بالای سرعت صوت یا مافوق سرعت صوت با محدوده سرعت ۱ ماخ تا ۵ ماخ ، Supersonic
هواپیماهای با سرعت بسیار بیشتر از سرعت صوت با محدوده سرعت ۵ ماخ و بالاتر ، Hypersonic

لینک مقاله در تالار های گفتگوی علمی دانشجویان :: آکادمیست