EnterKnow: Nếu bạn nghe thấy âm thanh giống như tiếng sét nhưng không có một đám mây nào trên bầu trời thì nguồn gốc của tiếng ồn có thể chỉ là tiếng nổ siêu thanh.
Tiếng nổ siêu thanh là tiếng ồn do máy bay hoặc vật thể khác tạo ra khi nó vượt quá tốc độ âm thanh. Thông thường đạt độ lớn 110 decibel, tiếng nổ siêu thanh thực sự to như sấm sét hoặc một vụ nổ. Và chúng ngày càng phổ biến các nước trên thế giới tiếp tục thử nghiệm tên lửa của mình.
Nhưng chính xác thì điều gì đã gây ra tiếng nổ siêu thanh—và việc ở gần nó có nguy hiểm không? Để hiểu, trước tiên bạn cần nghĩ về không khí hơi giống chất lỏng.
Tiếng nổ siêu thanh là gì
Âm thanh bùng nổ hay Sonic boom là một tiếng động xung động tương tự như sấm sét. Nguyên nhân là do một vật chuyển động nhanh hơn âm thanh – khoảng 750 dặm một giờ ở mực nước biển. Một chiếc máy bay di chuyển trong bầu khí quyển liên tục tạo ra các sóng áp suất không khí tương tự như sóng nước do mũi tàu gây ra. Khi máy bay vượt quá tốc độ âm thanh, các sóng áp suất này kết hợp và tạo thành sóng xung kích truyền về phía trước từ điểm phát sinh hoặc điểm “giải phóng”.
Tiếng nổ siêu thanh là âm thanh liên quan đến sóng xung kích được tạo ra khi một vật thể di chuyển trong không khí nhanh hơn tốc độ âm thanh. Những tiếng nổ siêu thanh tạo ra một lượng năng lượng âm thanh khổng lồ, nghe giống như một vụ nổ hoặc một tiếng sét vang vào tai con người.
Tiếng nổ của một viên đạn siêu thanh bay qua đầu hoặc tiếng kêu của roi da là những ví dụ về tiếng nổ siêu âm thu nhỏ.
Tiếng nổ siêu thanh do máy bay siêu thanh lớn có thể đặc biệt lớn và gây sửng sốt, có xu hướng đánh thức con người và có thể gây hư hại nhỏ cho một số công trình. Điều này dẫn đến việc cấm các chuyến bay siêu thanh thường lệ trên đất liền. Mặc dù không thể ngăn chặn hoàn toàn chúng, nhưng nghiên cứu cho thấy rằng với việc định hình phương tiện cẩn thận, sự phiền toái do tiếng nổ siêu thanh có thể giảm đến mức chuyến bay siêu thanh trên đất liền có thể trở thành một lựa chọn khả thi.
Tiếng nổ siêu thanh không chỉ xảy ra vào thời điểm một vật thể vượt qua rào cản âm thanh và cũng không thể nghe thấy nó ở mọi hướng phát ra từ vật thể siêu âm. Đúng hơn, tiếng nổ là một hiệu ứng liên tục xảy ra khi vật thể đang di chuyển với tốc độ siêu âm và chỉ ảnh hưởng đến những người quan sát được đặt tại điểm giao nhau với một vùng có dạng hình nón phía sau vật thể. Khi vật thể di chuyển, vùng hình nón này cũng di chuyển phía sau nó và khi hình nón đi qua người quan sát, họ sẽ cảm nhận được tiếng “bùm” trong thời gian ngắn.
Nguyên nhân gây ra tiếng nổ siêu thanh
Tiếng nổ siêu thanh có thể được tạo ra bởi những vật thể nhỏ như đạn và roi hoặc bởi các hiện tượng tự nhiên như núi lửa phun trào, mưa sao băng và động đất. Nhưng chúng liên quan nhiều nhất đến máy bay.
Khi một vật gì đó—chẳng hạn như tàu con thoi—tăng tốc đến tốc độ cao, nó tạo ra các gợn sóng phân tử không khí và âm thanh tỏa ra mọi hướng, giống như một viên sỏi rơi xuống hồ. Tuy nhiên, khi vật thể đó tăng tốc, các sóng ở mũi tàu vũ trụ bắt đầu dồn lại và nén lại thay vì gợn sóng ra bên ngoài. Trong khi đó, các làn sóng không khí và âm thanh tiếp tục đẩy ra xa hai bên mạn và phía sau tàu, giống như luồng sóng của một chiếc tàu cao tốc đi qua.
Bây giờ, nếu vận tốc của phương tiện tiếp tục tăng, cuối cùng nó sẽ vượt qua tốc độ mà sóng phía trước nó có thể truyền đi – nghĩa là nó đã bắt đầu vượt quá tốc độ âm thanh, thường là khoảng 750 dặm một giờ ở mực nước biển.
Khi đó, áp suất tích tụ ở phía trước tàu lớn đến mức nó phát ra một sóng âm lớn hay còn gọi là sóng xung kích, nghe giống như một vụ nổ. Theo NASA, đây là “sự giải phóng áp suất đột ngột” mà chúng ta nghe thấy như một vụ nổ âm thanh.
Thảm tiếng nổ siêu thanh là gì?
Nếu tàu con thoi tiếp tục vượt quá tốc độ âm thanh, nó sẽ tiếp tục tạo ra một hình nón các phân tử không khí nén. Vì vậy, tiếng nổ siêu thanh thực sự di chuyển cùng với một vật thể khi nó di chuyển, hướng một số sóng âm của nó về phía mặt đất nơi chúng ta có thể nghe thấy chúng. Đây được gọi là “thảm tiếng nổ siêu thanh”.
Điều thú vị là kích thước của thảm tiếng nổ siêu thanh tăng theo chiều cao của vật thể, với tốc độ một dặm trên 1.000 feet độ cao. Ví dụ, NASA tính toán rằng một chiếc máy bay di chuyển ở độ cao 50.000 feet sẽ tạo ra một thảm tiếng nổ siêu thanh rộng 50 dặm. Những người ở ngay bên dưới đường đi của máy bay sẽ trải nghiệm những phần lớn nhất của tiếng nổ, trong khi những người ở rìa thảm sẽ nghe thấy âm thanh nhẹ hơn nhiều.
Đồng thời, chuyển động của máy bay hoặc địa lý của khu vực có thể ảnh hưởng đến cường độ của sóng âm mà nó tạo ra. Ví dụ, tăng tốc đột ngột, rẽ hình chữ “S”, đồi và thung lũng đều có thể khuếch đại tiếng nổ siêu thanh.
Tiếng nổ siêu thanh có nguy hiểm không?
Cường độ của tiếng nổ siêu thanh được đo bằng pound trên feet vuông áp suất và cường độ này tăng theo kích thước và tốc độ của vật thể tạo ra nó.
Tin tốt là trong hầu hết các trường hợp mà tiếng nổ siêu thanh thường được nghe thấy, âm thanh hoặc áp suất quá mức (quá áp) tạo ra – khoảng một đến hai pound trên một feet vuông – quá yếu để gây thương tích cho con người.
Theo NASA, ở áp suất quá mức từ hai đến năm pound, một số hư hỏng có thể xảy ra đối với các công trình. Điều này rất có thể xảy ra với các máy bay cực lớn hoặc những máy bay bay ở độ cao thấp bất thường. Tuy nhiên, cơ quan này ước tính rằng hầu hết các tòa nhà thông thường có thể chịu được áp suất quá mức lên tới 11 pound trên một feet vuông mà không bị hư hại.
Theo các số liệu này, màng nhĩ của con người là an toàn: Để tiếng nổ siêu thanh gây ra thiệt hại, nó phải mạnh hơn gần 600 lần so với quá áp tạo ra bởi một lần hạ cánh tàu con thoi thông thường.
Lịch sử của tiếng nổ siêu thanh
Ngành công nghiệp hàng không và vũ trụ đã phải cân nhắc cẩn thận tác động của tiếng nổ siêu thanh do một số hoạt động nhất định gây ra.
Máy bay đầu tiên có khả năng tạo ra tiếng nổ siêu thanh là máy bay tên lửa Bell X-1, chính thức phá vỡ rào cản âm thanh lần đầu tiên vào năm 1947 khi chở phi công thử nghiệm Charles “Chuck” Yeager. Khoảnh khắc đó đã được lưu danh trong cả văn học và phim ảnh thông qua cuốn sách và bộ phim cùng tên của Tom Wolfe—The Right Stuff.
Trong những năm sau thành tựu đó, các nhà sản xuất máy bay hy vọng sẽ mở ra một kỷ nguyên mới của các chuyến bay siêu thanh, và đến năm 1976, một máy bay phản lực Anh-Pháp được gọi là Concorde đã thực hiện các chuyến bay thương mại thường xuyên qua Đại Tây Dương. Với tốc độ phá vỡ rào cản âm thanh, Concorde có thể vận chuyển hành khách từ Bờ Đông Hoa Kỳ đến Châu Âu chỉ trong ba giờ rưỡi—thay vì tám giờ như thông thường.
Tuy nhiên, tiếng nổ siêu thanh đi kèm với các chuyến bay đã tỏ ra không được lòng những người trên đường bay của Concorde, và đến năm 2003, dịch vụ này đã bị ngừng.
Tại Hoa Kỳ, các chuyến bay siêu thanh trên đất liền đã bị Cục Hàng không Liên bang cấm kể từ năm 1973, mặc dù vẫn có những ngoại lệ như đối với các cơ quan quân sự và vũ trụ.
