ما هو حاجز الصوت

الصوت

يُعرف الصوت بأنّه اهتزازات تنتقل خلال الأوساط الماديّة عن طريق تذبذب الموجات الصوتيّة، وهو ينشأ بسبب اهتزاز الأجسام ضمن تردادات موجيّة مسموعة مقدارها 15 هرتز/الثانية - 2000 هرتز/الثانية، أمّا إذا كانت الترددات أقلّ من 15 هرتز/الثانية أو أكثر من 2000 هرتز/الثانية فإنّ الأذن البشريّة لا تستطيع سماعها. وينتقل الصوت لأذن الإنسان عن طريق ظاهرة التضاغط والتخلخل، والتي تفسّر وصول الصوت للإنسان من مكان بعيد عن طريق انتقال الاهتزازات من الجزيئات الماديّة القريبة ونقلها تتابعيّاً عبرَ الجزيئات الماديّة حتى تصل للأذن، لذلك فإنّ الصوت لا ينتقل عبرَ الفراغ لأنّه يحتاج لجزيئات مادة تحمله. وتبلغ سرعة الصوت في الهواء 340م/ الثانية والتي تختلف باختلاف كثافة الهواء، ودرجة حرارته، والارتفاع عن سطح الأرض.[1]

حاجز الصوت

كثيراً ما يُذكر مصطلح حاجز الصوت أو جدار الصوت، وخاصةً في مواضيع متعلقة بالطيران والطائرات، فحاجز الصوت هو ارتفاع حادّ في السحب الهوائيّ الأيروديناميكي (بالإنجليزية: aerodynamic drag) حولَ منطقة يمرّ فيها جسم يحلّق في الهواء كالطائرة بسرعة تقارب سرعة الصوت، والتي كانت قديماً تشكّل عائقاً للطائرات السريعة والتي تتجاوز سرعتها سرعة الصوت، وذلك بسبب زيادة القوّة التي تُعارض الطائرة أثناء طيرانها.[2][3] والتفسير العلميّ لهذه الظاهرة هو أنّ موجات الصوت أو ما يُعرف بالموجات الضغطيّة التي تصدرها الطائرة إذا كانت تطير بسرعة أقلّ من سرعة الصوت، تكون أسرع من الطائرة وتنتشر قبلها، أمّا إذا وصلت الطائرة لسرعة الصوت فإنّ هذه الموجات الصوتيّة لا تستطيع أن تنتشر وتعلق في مكانها، فتتسبب بتشكيل موجات صدمة أو ما يُعرف بحاجز الصوت والتي تكون قويّة على أجنحة وجسم الطائرة، ممّا يؤدّي لتدفق الهواء بشكل غير مستقرّ حولَ المركبة، ويتسبّب ذلك بعرقلة الطائرة وفقدانها السيطرة عليها. وقد صُممّت الطائرات الحديثة بشكل يسمح لها بمرور حاجز الصوت دونَ أن تتعرّض للصعوبات.[3]

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، وتبعَ 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 يعرف "جدار الصوت".[4] أمّا عمليّة اختراق حاجز الصوت فتعرف 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.[5]

عوامل تؤثر في حاجز الصوت

يوجد بعض العوامل التي تتحكم في قوّة الصوت المتشكّل عند وصول الطائرات لسرعة الصوت، وهذه العوامل هي:[6]

• 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.

قياس 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:[6]

• 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.

المراجع

1. ↑ أسامة أشرف السيّد (2017)، "ما هو جدار الصوت؟"، مجلة الطيران للجميع، العدد 12، صفحة 48،49. بتصرّف.
2. ↑ "Definition of sound barrier", www.collinsdictionary.com, Retrieved 14-8-2018. Edited.
3. ^ أ ب Yamini Chauhan,Marco Sampaolo (7-2-2011)، "Sound barrier"، www.britannica.com, Retrieved 14-8-2018. Edited.
4. ↑ Allen J. Roth, Sonic Boom: A Definition and Some Legal Implications, Page 68. Edited.
5. ↑ William L. Hosch, Gloria Lotha (9-6-2006)، "Sonic boom"، www.britannica.com, Retrieved 15-8-2018. Edited.
6. ^ أ ب Yvonne Gibbs (15-8-2017), "NASA Armstrong Fact Sheet: Sonic Booms"، www.nasa.gov, Retrieved 14-8-2018. Edited.