تعريف جدار الصوت
يُعرف جدار الصوت أو ما يُعرف بحاجز الصوت (بالإنجليزية: Sound Barrier) على أنه القوة التي تُعارض وتقاوم حركة جسمٍ ما عندما تصل سرعة هذا الجسم إلى السرعة التي يتحرك بها الصوت. إذا ما تم كسر حاجز الصوت وتخطيه (أي التحرك بسرعة أكبر من سرعة الصوت) فسوف ينتج صوتٌ مدوٍّ.
ولفهم ماهية حاجز الصوت أكثر والذي يحدث عند تخطيه فيجب أولاً تعريف الصوت والتعرف على ماهيته، ومن ثم الحديث عن سرعة الصوت ومقدارها .
تاريخ جدار الصوت واكتشافه
يعد الكابتن الأمريكي تشاك ييغر (Chuck Yeager) أول شخص يقود طائرة بسرعة تتخطى سرعة الصوت، بعد تطوعه لاختبار طائرة صاروخية (the experimental X-1)؛ لمعرفة مدى القدرة على اختراق جدار الصوت.
وفي تاريخ 4 أكتوبر من عام 1947م، حلق تشاك ييغر بالطائرة من فوق بحيرة (Rogers Dry) في جنوب كاليفورنيا، بعد أن وصل لارتفاع 12,192 م باستخدام طائرة (B-29) التي كانت تحمل طائرته، ولقد استطاع تخطي حاجز 1,065.3 كم في الساعة، وهو حاجز الصوت على الارتفاع الذي تواجد فيه حينها، وبعدها اكتشف جدار الصوت وكيف يمكن اختراقه.
وفي عام 1953م استطاع تشاك بيغر بطائرة (X-1A) تخطي حاجز 2655.4 كم في الساعة.
دوي اختراق حاجز الصوت وأسبابه
تتراكم الموجات الصوتية أمام الجسم المتسارع إلى سرعة الصوت ، فإذا كان هنالك تسارع كافٍ للجسم فسوف يخترق حاجز الصوت، وحينها يصبح الجسم أسرع من الصوت الذي يبعثه، والتغيير في الضغط حول الجسم بسبب هذه العملية يُسمع على الأرض كأنه انفجار (S onic Boom) .
لن يسمع صوت اختراق حاجز الصوت إذا كان الجسم يسير بسرعة فوق صوتية؛ لأن الجسم ينتقل بسرعة أكبر من سرعة الصوت الذي يصدره، وتسمى الفترة الزمنية هذه بمنطقة الصمت (بالإنجليزية: Zone of Silence) ، ولكن بعد مرور الجسم من مكان الاستماع لصوته (الراصد) يمكن سماع الموجات الصوتية المنبعثة منه.
وتسمى الفترة الزمنية هذه بمنطقة العمل أو الحدث (بالإنجليزية: Zone of Action) ، وعند مرور الجسم فوق الراصد تنبعث موجات اضطراب الضغط (موجات ماخ) نحو الأرض، مما يؤدي لحدوث طفرة صوتية أو دوي انفجار.
تولد الطائرة مناطق ضغط منخفض قربها تؤدي إلى تكثيف الماء الموجود في الهواء فيه، وبالتالي تكوين سحابة بخار مائي، وتنتشر موجات الضغط هذه أمام الطائرة، وهي أقوى على الأجنحة والجسم، ومع استمرار تسارع الطائرة، تظهر سحابة من البخار عند مؤخرة الطائرة؛ وهي السحابة البيضاء الناتجة عند اختراق الصوت، وبعد اختراق حاجز الصوت، يتأثر الهواء بموجة الصدمة الناتجة وتختفي سحابة البخار.
عدد ماخ و علاقته بجدار الصوت
سمي عدد ماخ بهذا الاسم تيمنًا بالعالم الفيزيائي والفيلسوف النمساوي إرنست ماخ (Ernst Mach)، الذي وضع بعض المبادئ المهمة في البصريات، والميكانيكا، وديناميكا الموجة، وقد ولد هذا العالم في 18 فبراير من عام 1838م، وتلقى تعليمه في جامعة فيينا، وحصل على الدكتوراه في الفيزياء سنة 1860م.
وقد درّس ماخ الميكانيكا والفيزياء في مدينة فيينا، وأصبح أستاذًا في الرياضيات، وبالإضافة لاهتمامه بدراسة علم النفس وفسيولوجيا الإحساس، ويعود له الفضل في اكتشاف الظاهرة الفسيولوجية المعروفة باسم خطوط ماخ (بالإنجليزية: Mach’s bands ).
ويوجد لدى إرنست ماخ عدة دراسات حول الإحساس الحركي أو الشعور المتعلق بالحركة والتسارع، وقد طور هذا العالم عدة تقنيات بصرية وتصويرية لقياس الموجات الصوتية وانتشارها، وأسس مبادئ السرعة فوق الصوتية ورقم أو عدد ماخ (بالإنجليزية: Mach number) الذي يشير إلى نسبة سرعة الجسم إلى سرعة الصوت، ويعبر عنه بالصيغة الرياضية التالية:
عدد ماخ = سرعة الجسم / سرعة الصوت
وبذلك يرتبط عدد ماخ بجدار الصوت، وهنالك عدة حالات لعدد ماخ؛ هي:
يعني أن الجسم يسير بسرعة أقل من سرعة الصوت (بالإنجليزية: Subsonic).
يعني أن سرعة الجسم قريبة من سرعة الصوت أو تساويه، وهي المرحلة التي ينتقل فيها الجسم من السرعة العادية إلى السرعة الفوق صوتية (بالإنجليزية: Transonic).
يعني أن سرعة الجسم أكبر من سرعة الصوت (بالإنجليزية: Supersonic).
يعني أن سرعة الجسم تفوق سرعة الصوت بكثير (بالإنجليزية: Hypersonic).
يعرف جدار الصوت بأنه القوة المقاومة لحركة الجسم عندما تصل سرعته إلى سرعة تحرك الصوت، ويعود اكتشاف جدار الصوت للكابتن الأميركي تشاك ييغر سنة 1947م، ويحدث دوي اختراق حاجز الصوت بسبب اضطرابات الضغط حول الطائرة.
ولقد حدد العالم إرنست ماخ الرقم الذي يشير الى نسبة سرعة الجسم الى سرعة الصوت، ويوجد أربع حالات لرقم ماخ، وهي: أقل من سرعة الصوت، وقرب أو المساواة مع سرعة الصوت، وأكبر من سرعة الصوت، وأكبر من سرعة الصوت بكثير.
