Wie meistern die alten Männer im Park das Geheimnis des Peitschens bei Überschallgeschwindigkeit?

Jeder sollte mit Peitschen vertraut sein. Es kann zum Treiben von Vieh und auch als Waffe verwendet werden. Heutzutage ist die Peitsche ein Fitnessgerät und wird als „Schnapppeitsche“ bezeichnet.

Quelle: Baidu Enzyklopädie

Das Peitschenschlagen hat seinen Ursprung in Henan und ist eine beliebte Fitnessübung unter der Bevölkerung. Beugen Sie sich nach unten, ziehen Sie die Schultern zurück, heben Sie die Arme, schütteln Sie die Handgelenke und schwingen Sie die Peitsche. Die Peitsche erzeugt ein „Schnapp“-Geräusch in der Luft, das überall widerhallt. Aber wussten Sie, dass die Onkel jedes Mal, wenn sie die Peitsche knallen lassen, diese tatsächlich mit Überschallgeschwindigkeit knallen lassen können? ? Was ist hier los?

1. Was ist ein Überschallknall?

Zunächst müssen wir wissen, wie eine weiche Peitsche in der Luft ein Geräusch erzeugt, das auf ein besonderes physikalisches Phänomen zurückzuführen ist – den „Überschallknall“. „Überschallknall“ bedeutet wörtlich genommen „Schallexplosion“, aber um „Überschallknall“ zu verstehen, müssen wir zunächst wissen, was die „Schallmauer“ ist.

Die „Schallmauer“ kann einfach als Barriere verstanden werden, aber diese Barriere befindet sich in der Luft und ist mit bloßem Auge nicht zu erkennen. Jedes Objekt (einschließlich Schall) stößt bei der Ausbreitung in der Luft auf einen gewissen Widerstand. Je schneller sich das Objekt bewegt, desto größer ist der Widerstand, sodass es eine Barriere in der Luft bilden und die Beschleunigung des Objekts behindern kann.

Nehmen wir beispielsweise Flugzeuge: Wenn sich die Geschwindigkeit des Flugzeugs der Schallgeschwindigkeit nähert, erhöht sich der Widerstand plötzlich, was zu abnormalem Betrieb und spontanem Sturzflug führt. Gleichzeitig kann die Geschwindigkeit des Flugzeugs nicht weiter erhöht werden. Früher glaubte man, dass die Schallgeschwindigkeit die Höchstgeschwindigkeit von Flugzeugen sei. Nachdem das Flugzeug die Schallgeschwindigkeit erreicht hatte, stieß es auf eine unsichtbare Luftbarriere, weshalb dieses Phänomen als „Schallmauer“ oder „akustische Barriere“ bezeichnet wurde.

Flugzeug durchbricht die Schallmauer

Quelle: pixabay

Wenn wir einen Stein ins Wasser werfen, entstehen auf der Wasseroberfläche Wellen, deren Mittelpunkt der Punkt ist, an dem der Stein ins Wasser fällt. Gleiches gilt für die Schallausbreitung. Schall breitet sich in der Luft in Form von Wellen aus. Jeder Ton konzentriert sich auf den schallabgebenden Körper und breitet sich kreisförmig aus, wobei er sich in alle Richtungen ausdehnt und verbreitet.

Schallwellendemonstration

Quelle: Wikipedia

Wenn der schallabstrahlende Körper fixiert ist und das schallübertragende Medium vollkommen gleichmäßig ist, werden die Schallwellen in Form regelmäßiger konzentrischer Kreise übertragen. Wenn sich der schallabgebende Körper jedoch in Bewegung setzt und weiter beschleunigt, bilden die Schallwellen um den schallabgebenden Körper herum ein kegelförmiges Stereo-Schallwellenenergiefeld. Wenn die neu erzeugten Schallwellen die vorherigen Schallwellen überlagern, wird der Ton lauter.

Erweitert man den Anwendungsbereich auf alle Wellen (Lichtwellen, Schallwellen, Wasserwellen etc.), entsteht der berühmte Dopplereffekt. Der Doppler-Effekt bezeichnet das Phänomen, dass sich die von einem Objekt ausgesendeten Wellen mit der Bewegung des Objekts oder Beobachters kontinuierlich verändern. Vor der bewegten Wellenquelle wird die Welle komprimiert, wodurch die Wellenlänge kürzer und die Frequenz höher wird. umgekehrt wird die Wellenlänge hinter der Wellenquelle länger und die Frequenz niedriger. Genau wie wenn sich aus der Ferne ein Auto nähert, nimmt die Lautstärke des Geräuschs zu, das Sie hören. Dies ist das Ergebnis der Kompression und Überlagerung von Schallwellen.

Doppler-Effekt

Quelle: Tencent

Wenn ein Flugzeug Überschallgeschwindigkeit erreicht, hat das Flugzeug als schallerzeugender Körper die Schallausbreitungsgeschwindigkeit überschritten, die umgebende Luft wird stark zusammengedrückt, und beim Durchbrechen der Schallmauer wird eine große Menge Energie konzentriert und freigesetzt, wodurch ein starkes Explosionsgeräusch entsteht, das einen Überschallknall erzeugt.

Ursachen von Überschallknallen

Quelle | „Was ist ein Überschallknall und wie er alle bekannten Regeln bricht“

Man hat also herausgefunden, dass ein Objekt diese Barriere durchbrechen kann, solange seine Geschwindigkeit hoch genug ist, um Überschallgeschwindigkeit zu erreichen. Gleichzeitig wird um das Objekt herum eine starke Stoßwelle erzeugt. Wir können das „Plopp“-Geräusch der Explosion hören und manchmal können wir visuell eine kegelförmige Wolke erkennen.

Der erste Überschallknall wurde 1947 entdeckt, als ein amerikanischer Pilot ein X-1-Flugzeug mit einer Geschwindigkeit von 1.278 Kilometern pro Stunde flog. Mit einem lauten Knall und einer Nebelwolke durchbrachen Menschen zum ersten Mal die Schallmauer, und der Pilot war zugleich der erste Mensch in der Menschheitsgeschichte, der die Schallgrenze überschritt.

Amerikanischer Pilot, der die Schallgeschwindigkeit durchbrach

Quelle | „Chuck Yeager durchbricht die Schallmauer – X-1 – 1947“

2. Die Peitsche wird mit Überschallgeschwindigkeit geschwungen

Eine kleine Peitsche sammelt nach einer Reihe professioneller Bewegungen viel Energie an der Spitze und ihre Geschwindigkeit kann oft die doppelte Schallgeschwindigkeit erreichen. Dieses Phänomen ist der „Überschallknall“.

Peitsche

Quelle: Screenshot aus dem Video „Smarter Every Day“

Doch nicht nur die Peitsche ist für den lauten Lärm verantwortlich. Kürzlich haben Wissenschaftler mithilfe mathematischer Modellanalysen herausgefunden, dass sich beim Schwingen einer Peitsche in Bewegungsrichtung eine Ringstruktur bildet, die bei Bewegung mit Schallgeschwindigkeit ebenfalls Überschallknalle erzeugen kann. Wenn sich die Ringstruktur der Peitsche mit Schallgeschwindigkeit bewegt, kann die Geschwindigkeit der Peitschenspitze ein Vielfaches der Schallgeschwindigkeit erreichen, wodurch die Lautstärke des Tons zunimmt.

Vielleicht wissen die peitschenknallenden Onkel auf dem Platz nicht, dass sie so nahe an der Überschallgeschwindigkeit sind. Die Peitschen in ihren Händen können sogar die Schallmauer durchbrechen. Es stimmt tatsächlich, dass es unter den Menschen viele Meister gibt! Aus diesem Grund ist das Peitschenknallen jedoch etwas gefährlich und Sie müssen beim Üben auf die Menschen und die Umgebung um Sie herum achten.