Welche Hochtechnologie kann Überschallgeschwindigkeit erreichen? Der alte Mann im Park kann es mit einer Hand!

Woran denken Sie, wenn wir von Überschallgeschwindigkeit sprechen? Kampfjets oder Kugeln? Wie dem auch sei, es müssen viele mächtige Typen sein, oder? Es gibt jedoch auch eine weniger bekannte Hall-of-Fame-Figur in der Supersonic Hall of Fame: Uncle Park!

Ja, Sie haben richtig gehört. Dieser alte Mann, der mit der Peitsche spielt, kann auch Überschallgeschwindigkeit erreichen, aber er lässt sich nicht wie Superman in die Luft fliegen und die Schallgeschwindigkeit überschreiten. Stattdessen lässt er die Peitsche in seiner Hand Überschallgeschwindigkeit erreichen. Tatsächlich müssen Sie das schon einmal gesehen haben. Das knisternde Geräusch beim Schwingen der Peitsche ist der Überschallknall, der entsteht, wenn das Ende der Peitsche die Schallgeschwindigkeit überschreitet.

Dann stellt sich die Frage: Der Onkel ist immer noch derselbe Onkel und die Peitsche ist auch eine gewöhnliche Peitsche. Wie kommt es also, dass die Peitsche Überschallgeschwindigkeit erreicht, wenn er mit der Hand wedelt?

Tatsächlich ist Überschallgeschwindigkeit im Prinzip nicht schwierig, solange genügend Energie vorhanden ist. Wenn Sie in der Schule gut in Physik waren, sollten Sie sich noch an die Formel für die kinetische Energie erinnern (Ek=1/2mv2). Bei konstanter Geschwindigkeit ist umso mehr Energie erforderlich, je größer die Masse des Objekts ist. Was die Peitsche betrifft, die der alte Mann schwang, so war es nicht die gesamte Peitsche, die die Schallgeschwindigkeit überschritt, sondern nur der kleine Teil des Peitschenschwanzes überschritt die Schallgeschwindigkeit. Die Masse des Peitschenschwanzes war sehr gering, sodass nicht besonders viel Energie erforderlich war, um ihn schneller als den Schall zu machen. Der alte Mann konnte diese Energie allein durch das Schütteln seiner Hände abgeben.

Da die Energie, die erforderlich ist, um den kleinen Schwanz auf Überschallgeschwindigkeit zu bringen, nicht besonders hoch ist, warum können wir ihn dann nicht mit Überschallgeschwindigkeit werfen, wenn wir ihn nur mit dem kleinen Schwanz hinauswerfen, sondern ihn auf eine Peitsche stecken und schwingen müssen?

Dabei geht es um die Frage der Energieübertragung. Wenn wir den kleinen Schwanz einfach festhalten und werfen, dann kann die Energie, die der kleine Schwanz erhält, gemäß der Formel für kinetische Energie (Ek=1/2mv2) nur seiner Masse multipliziert mit dem Quadrat der Geschwindigkeit unseres Armschwungs und dann multipliziert mit der Hälfte entsprechen. Der kleine Schwanz hat eine geringe Masse und wir können ihn nicht sehr schnell schwingen, daher reicht die Energie natürlich nicht aus. Wenn wir darüber nachdenken, wissen wir, dass unsere Hände, wenn wir etwas mit Überschallgeschwindigkeit werfen wollen, zunächst einmal in der Lage sein müssen, etwas mit Überschallgeschwindigkeit zu werfen, was offensichtlich unmöglich ist.

Der Grund, warum die Peitsche den kleinen Schwanz auf Überschallgeschwindigkeit bringen kann, liegt darin, dass er nicht nur einmal „geworfen“ wird, sondern ständig „geworfen“ wird und sich dadurch beschleunigt.

Zunächst einmal ist die Masse der gesamten Peitsche viel größer als die des kleinen Schwanzes, was dafür sorgt, dass sie bei gleicher Geschwindigkeit mehr Energie gewinnen kann. Beim Schwingen der Peitsche nimmt die Geschwindigkeit des Peitschenendes allmählich ab und überträgt dann die gesamte Energie nach vorne. Wenn wir uns die Peitsche als eine lange Peitsche vorstellen, die aus vielen kleinen Abschnitten besteht, dann ist der Vorgang so, als würde jeder kleine Abschnitt der Peitsche seine ganze Kraft darauf verwenden, den vorderen Teil nach vorne zu werfen, und jedes Mal, wenn sie zusammen geworfen werden, wird die Geschwindigkeit des vorderen Teils ein wenig schneller, und so wirfst du mich und ich ihn. Zum Schluss wurde die Peitsche immer schneller geschwungen und die gesamte kinetische Energie der Peitsche konzentrierte sich schließlich auf den kleinen Schwanz. Nun zum kleinen Schwanz: Obwohl er eine so kleine Masse hat, ist seine Geschwindigkeit durch die von der gesamten Peitsche gesammelte kinetische Energie natürlich superschnell.

Warum eine Peitsche bei Überschallgeschwindigkeit ein schnappendes Geräusch macht, hängt mit der Schallausbreitung zusammen. Bevor die Peitsche Überschallgeschwindigkeit erreicht, sendet sie tatsächlich Schallwellen aus. So wie sich Wasserwellen langsam auf der Oberfläche eines Sees ausbreiten, breiten sich diese Schallwellen auch in der Luft aus. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Schallwellen ausbreiten, ist die Schallgeschwindigkeit.

Durch die Bewegung der Peitsche werden neue Schallwellen erzeugt. Schwingt man die Peitsche zu einer Seite, werden die späteren Schallwellen auf dieser Seite mit den vorhergehenden zusammengedrückt und werden immer dichter, so wie sich beim langsamen Rudern eines Bootes Schichten von Wasserwellen vor dem Boot bilden. Aus der Perspektive der Peitsche werden diese Schallwellen vor ihr blockiert. Jede Schallwelle hat eine bestimmte Energiemenge. Wenn so viele Schallwellen zusammenkommen, bilden sie eine Schallwellenwand voller Energie.

Als die Peitsche die Schallgeschwindigkeit überschritt, war dies gleichbedeutend damit, die Wand sofort zu durchbrechen, und die angesammelte Energie brach heraus und verursachte einen gewaltigen Lärm.

Lassen Sie uns abschließend aus wissenschaftlicher Sicht zusammenfassen. Wenn Sie das nächste Mal einen alten Mann sehen, der mit einer Hand Überschallgeschwindigkeit laufen kann, müssen Sie Ehrfurcht empfinden. Das Problem des Respekts gegenüber älteren Menschen wurde wissenschaftlich gelöst!

Autor: Problem Squad

Gutachter: Luo Huiqian, Forscher am Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.