مفهوم حاجز الصوت
يُعرف مصطلح حاجز الصوت أو جدار الصوت ، بإرتفاع حادّ في السحب الهوائيّ الأيروديناميكي (بالإنجليزية: aerodynamic drag) حولَ منطقة يمرّ فيها جسم يُحلّق في الهواء بسرعة تقارب سرعة الصوت، وذلك بسبب زيادة القوّة التي تُعارض الاجسام أثناء طيرانها،، ويرجع ذلك الى أنّ موجات الصوت أو ما يُعرف بالموجات الضغطيّة التي تُصدرها الاجسام عندما تطير بسرعة أقلّ من سرعة الصوت، تكون أسرع من الجسم نفسه وتنتشر قبله، أمّا إذا وصل هذا الجسم لسرعة الصوت فإنّ هذه الموجات الصوتيّة لا تستطيع أن تنتشر وتبقى عالقة في مكانها، فتتسبب بتشكيل موجات صدمة أو ما يُعرف بحاجز الصوت.
اكتشاف حاجز الصوت
كانَ أوّل اكتشاف لحاجز الصوت سنة 1950م، فقد كانَ أحد جنود القوّات الجويّة الذي يعمل كمشغل رادارات يستخدم تقنية جديدة تعمل على جمع بيانات أحد الطائرات الحربيّة التي تقوم بعملية هبوط حادّ عبر الهواء الجويّ، وأثناء مراقبته لاحظَ صوتاً عميقاً يشبه ضربةً رعديّةً، وتبِعَ الطائرة الهابطة مجموعة أخرى من الطائرات التي تسبّبت جميعها بإصدار أصوات متفجّرةٍ عند هبوطها بسرعة، ممّا أثار فضوله وأمرَ بإعادة التجربة مرّات عديدة، وقد كان يسمعَ الصوت ذاته في كلّ مرّة، فانتشرت هذه التسجيلات على نطاق واسع، ثم فُسّرت فيزيائيّاً بما يُعرف "جدار الصوت".
أمّا عمليّة اختراق حاجز الصوت فتُعرف بأنّها طفرة صوتيّة، أو موجة صدميّة ناتجة عن وصول سرعة طائرة أو أيّ جسم آخر يُحلّق في الجوّ إلى سرعة الصوت، ويُسمع صوت هذه الموجة من الأرض كصوت الرعد.
ما هو دوي اختراق حاجز الصوت؟
دويّ الصوت (بالإنجليزية: Sonic Booms) هو صوت يُشبه صوت الرعد، يسمعه الشخص الذي يقف على الأرض أثناء مرور جسم فوقه، بحيث تفوق سرعة هذا الجسم سرعة الصوت ويؤدي إلى تشكّل موجه تعتمد في قوتها على حجم الجسم، ويعمل الهواء على نقل تلك الموجه، حيث تتكون هذه الموجة عند ضغط جزيئات الهواء والتي تتحرك إلى الأمام وإالى الخلف وفي جميع الإتجاهات مدفوعةً بإتجاه الأرض وتستمر بالإندفاع نحو الأرض خلال مرور الجسم.
عوامل تؤثر في دوي اختراق حاجز الصوت
يوجد بعض العوامل التي تتحكم في قوّة الصوت المتشكّل عند وصول الطائرات لسرعة الصوت، وهذه العوامل هي:
- الارتفاع: المقصود بالارتفاع عن سطح الأرض المسافة التي ستسافر فيها موجات الصوت الناجمة عن سرعة الطائرة، فكلّما كانت الطائرة على ارتفاع أعلى، كلما زادت المسافة التي تقطعها موجات الصوت وبالتالي تقل قوتها وتأثيرها عندما تصل سطح الأرض.
- العرض: يلعب عرض الموجات أسفل الطائرة دوراً يتحكّم في حدة الموجات الصادمة والتي تشكل مساحة تشبه السجّادة (بالإنجليزية: carpet)، فعرض الموجات أسفل الطائرة يبلغ ما مقداره ميلاً واحداً لكل 1000 قدم من الارتفاع، فمثلاً إذا سافرت طائرة على ارتفاع 50,000 قدمٍ فإنّ مساحة مخروط الموجات أسفلها سيكون 50 ميلاً، وكلما ازدادت المسافة بين السجادة العرضية ومسار طيران الطائرة فإنّ الموجات الصادمة تكون أضعف حتى تتوقف.
- حجم الطائرة: تتأثّر الموجات الصوتيّة الصادمة بحجم الطائرة، وتحديداً بمقدار طولها، فإذا كانت الطائرة أكثر طولاً ورشاقةً فإنّ الموجات الصادمة ستكون أضعف، والعكس صحيح، فلو كان جسم الطائرة أعرض ستكون الموجات الصادمة أقوى.
- سرعة الطائرة: من المعروف بأنّه إذا تجاوزت سرعةُ الصوت سرعةَ الطائرة ستتسبب بموجات صوتيّة صادمة، ولكن عندما تتجاوز سرعة الطائرة 1.3 ماخ فإنّ الاختلاف في قوة موجة الصدمة سيكون قليلاً.
- الغلاف الجويّ: يتأثر الجدار الصوتيّ بسرعة واتجاه الرياح في الغلاف الجويّ، كما يتأثّر بدرجات حرارة الهوء، وضغطه. وتلعب هذه العوامل دوراً مهماًعندما تكون سرعة الطائرة 1 ماخ، أمّا إذا كانت سرعتها قد تجاوزت 1.3 ماخ فإنّ تأثيرها يكون أقلّ. كما تؤثّر الاضطرابات الجويّة في شكل جدار الصوت.
- المناورة: تتسبّب مناورة الطائرات بتشوّهات في جدار الصوت، فبعض المناورات تقوم بتضخيم شدّة الموجات الصادمة.
- التضاريس: قد تؤثّر بعض التضاريس القريبة من الغلاف الجويّ الذي تحلّق فيه الطائرة في شدّة الموجات الصادمة.
طريقة قياس دوي اختراق حاجز الصوت
يعتمد العلماء في قياس مقدار حاجز الصوت على مقدار الزيادة التي تحدث في الضغط الجويّ الطبيعيّ، فيُقاس حاجز الصوت بالباوند لكلّ قدم مربّع من الضغط الزائد، ويمكن تصنيف تأثير حاجز الصوت بناءً على قياساته كما يأتي:
- عندما يزن حاجز الصوت 1 باوند من مقدار الضغط الزائد، فإنّه لا يؤثّر في هياكل الطائرات.
- إذا بلغ وزن حاجز الصوت 1-2 باوند لكلّ قدم مربّع، والذي ينتج من الطائرات الأسرع من الصوت التي تطير على ارتفاعات التشغيل العادية، فإنّه يُحدِث ردة فعلٍ بسيطة.
- إذا وصل حاجز الصوت 2-5 باوند لكلّ قدم مربّع، فإنّ الأضرار تكون طفيفةً ونادرةً.
- إذا تجاوزَ حاجز الصوت 11 باونداً لكلّ قدم مربّع، فإنّ احتماليّة حدوث ضرر لهيكل الطائرة يكون أكبر.
حاجز الصوت هو قوة سحب الهواء التي تتولّد بفعل حركة الأجسام التي تقترب سرعتها من سرعة الصوت، أما دوي اختراق حاجز الصوت فهو الصوت القوي كصوت الرعدالذي ينتج عند إختراق جسم لحاجز الصوت، ويتأثر بعدة عوامل منها طول، وإرتفاع، وعرض، وسرعة الجسم ويمكن قياس مقدار حاجز الصوت اعتماداً على زيادة مقدار الضغط الجوي.
