Автомобили, преодолевшие звуковой барьер
17 декабря 1979 года автомобиль «Budweiser Rocket», управляемый пилотом Стэном Баррэтом, впервые преодолел звуковой барьер. И хотя официально рекорд не был засчитан, имя пилота и название его болида были навсегда вписаны в историю автомобилестроения планеты. Мы подготовили обзор самых выдающихся автомобилей, претендовавших на преодоление звукового барьера и преодолевших его. Однако, на самом деле этот рассказ не о машинах, а об увлеченных и героических людях, не побоявшихся бросить вызов судьбе.
«The Blue Flame» превышает скорость 1000 км/ч в 1970 году
Автомобиль «The Blue Flame»
Не случайно история начинается с болида «The Blue Flame», который хоть и не преодолел звуковой барьер, однако «промчался» совсем рядом с этой отметкой и все-таки поставил рекорд скорости, превысив 1000 км/ч.
Боссы американской компании The American Gas Association, занимающейся добычей и переработкой природного газа, решили прорекламировать свой бизнес, вложив 500 тыс. дол. (огромные деньги по тем временам) в разработку самого быстрого в мире болида. Автомобиль, получивший название «The Blue Flame» — «Голубое пламя», естественно должен был работать на газе.
Болид «The Blue Flame» превышает скорость 1000 км/ч в 1970 году
Разработкой автомобиля-рекордсмена занялись сотрудники Иллинойского технологического института Рэй Даусман и Дик Келлер, а также их друг — гонщик Пит Фарнсуорт. Надо сказать, что эта троица давно грезила созданием самой быстрой машины в мире, к тому времени уже построив несколько достаточно успешных прототипов. Воспользовавшись своими связями в научном мире, талантливые энтузиасты смогли привлечь к работе лучших специалистов. Разработка «The Blue Flame» даже вошла в учебную программу технологического института штата Иллинойс, где над ним трудились профессора, преподаватели и более 70 студентов.
Схема автомобиля «The Blue Flame»
В октябре 1970 года на старт вышла феноменальная машина массой 2950 кг, длинной 11.6 м. и силой тяги ракетного двигателя в 10000 кгс, ставшая апофеозом инженерной мысли. Создатели болида предвкушали будущий триумф, ведь при расчетной скорости автомобиля в 1450 км/ч, звуковой барьер просто обязан был покориться! За руль сел опытный пилот Гэри Габелич, который, в свое время, даже входил в состав экипажа-дублера первого пилотируемого полета на Луну.
Мировой рекорд скорости был поставлен «The Blue Flame» в 1970 году
На первый взгляд автомобиль имеет три колеса, однако, на самом деле болид четырехколесный, впереди на пружинной подвеске размещена сдвоенная пара колес, почти полностью скрытая корпусом. При этом поворот их настолько мал, что разворачивается машина по окружности радиусом порядка 400 м. Задние колеса размещены без всяких обтекателей на трубчатых фермах. На всех четырех колесах установлены особо прочные гладкие пневматические покрышки Goodyear, которые стали самыми «быстрыми» за всю историю автомобилестроения.
В сентябре 1970 года начались пробные заезды «The Blue Flame». Поначалу, пока болид проходил обкатку, результаты были не самыми выдающимися. Однако в октябре того же года во время 23-го заезда был поставлен мировой рекорд скорости на дистанции 1 км — 1014,294 км/ч.
В 1975 году «The Blue Flame» был продан за 10 тысяч долл. в институт технологии газопереработки
Возможно, тогда Гэри Габеличу и «Голубому пламени» удалось бы преодолеть и звуковой барьер, однако, как это часто бывает, за дело взялись деловые люди в строгих костюмах. Громкий рекорд в 1000 км/ч уже был достигнут, и спонсоры решили, что пора собирать дивиденды от вложенных средств.
Пилота Гэри Габелича и болид «The Blue Flame» несколько лет возили по городам США в ходе рекламного тура продукции The American Gas Association. А когда их популярность спала, в 1975 году «The Blue Flame» просто продали за 10 тысяч долларов в институт технологии газопереработки, ранее принимавший участие в создании болида. О Габеличе спонсоры забыли еще раньше. В 1972 году, когда пилот сильно пострадал в аварии, ему даже не оплатили лечения. Так закончилась история смелого гонщика Гарри Габелича и его самой быстрой в мире машины, почти преодолевшей звуковой барьер.
«Budweiser Rocket» преодолевает звуковой барьер со скоростью 1190,344 км/ч в 1979 году
Budweiser Rocket
Budweiser Rocket Car
Болид «Budweiser Rocket» стоимостью 900 тыс. дол., разработанный командой инженера Уильяма Фредерика, тоже представляет собой ракету на колесах, созданную для покорения звукового барьера на земной поверхности. Первоначальный вариант конструкции автомобиля предусматривал один жидкостный ракетный двигатель и два стартовых двигателя, работавших на твердом топливе.
Фюзеляж машины длинной 12,1 метра выполнен из алюминия, за передним колесом (все колеса болида цельнометаллические) расположены баки с топливом и окислителем. После прохождения через катализаторы топливной системы из окиси водорода выделяется кислород, воспламеняющий жидкое топливо полибутадиен. Примерно за 20 секунд химической реакции создается фантастическая реактивная тяга до 11000 кгс. Перед решающим заездом инженеры пошли на серьезный риск, разместив над основным двигателем еще один, работающий на твердом топливе, дополнительный ракетный двигатель с тягой 2700 кгс, снятый с управляемой ракеты-снаряда «Sidewinder». После этого максимальная расчетная скорость машины массой 1476 кг составляла уже 1450 км/ч, а общая тяга достигала 13500 кгс!
Budweiser Rocket Car
Для рекордного заезда была подобрана идеальная 20-километровая трасса на высохшем озере Роджерс в южной Калифорнии, принадлежащая авиабазе ВВС США Эдвардс. Старт был назначен на 17 декабря 1979 года, в этот день температуре воздуха на трассе была —7°С, поэтому скорость звука составляла «всего» 1177.846 км/ч. Любопытно, что среди наблюдателей находился легендарный генерал ВВС США Чарльз Йегер. Именно он, еще в звании капитана, на реактивном самолете «Bell X-1» впервые в мире преодолел звуковой барьер в 1947 году.
Budweiser Rocket Car
Не смотря на многочисленные сложности и экспромты во время подготовки заезда, техника сработала надежно. Пилот Стэн Баррэт успешно прошел контрольный отрезок пути, выпустив тормозной парашют за 6,5 миль до благополучной остановки болида. Баррэту удалось поставить фантастический рекорд скорости в 1190.344 км/ч (739.66 миль в час), впервые опередив звук на 12,5 км/ч.
Budweiser Rocket Car
А вот дальше начались сложности с бюрократией. К сожалению, разработчики не озаботились приглашением на заезд специалистов из международных организаций для официальной фиксации и сертификации рекорда скорости. И хотя многие эксперты обращают внимание на ударные волны, заметные на фотографиях, а радары базы ВВС пусть и кратковременно, но зафиксировали нужную скорость, официальных лиц эти аргументы не удовлетворили. Существует версия, что болид просто не обладал достаточным запасом топлива и мощностью, поэтому превышение скорости звука хоть и произошло, но оказалось слишком кратковременным, чтобы быть зарегистрированным официально. В любом случае официального признания рекорд Budweiser Rocket так и не получил.
Новый официальный мировой рекорд скорости от Thrust2 в 1983 году
Автомобиль Thrust2
Следующим претендентом на преодоление звукового барьера стал автомобиль Thrust2, оснащенный мощнейшим турбореактивным двигателем. 4 октября 1983 года в пустыне Блэк-Рок (Невада, США) пилот Ричард Нобл на болиде Thrust2 развил скорость 1047.49 км/ч (650.88 миль в час) побив предыдущий официальный рекорд скорости. Его автомобиль был оснащен мотором Rolls-Royce Avon от English Electric Lightning F.3, который использовался с 1959 по 1988 годы. Что интересно, геометрия корпуса болида сильно отличалась от предыдущих претендентов на рекорд, зато колеса Thrust2 были цельнометаллическими, как и у «Budweiser Rocket».
Автомобиль Thrust2
Хотя новый официальный мировой рекорд скорости был установлен, звуковой барьер Ричарду Ноблу так и не покорился, поэтому англичанин начал работу над новым болидом, получившим имя Thrust SSC.
В 1991 году автомобиль Thrust2 был продан за 90 тысяч фунтов. Сегодня его можно увидеть в музее транспорта города Ковентри в Великобритании.
Thrust SSC — первый и единственный болид, официально преодолевший звуковой барьер в 1997 году
Автомобиль Thrust SSC
Длина Thrust SSC составляет 16,5 метров, ширина 3,7 метров, масса достигает 10,5 тонн. Болид оснащён двумя турбовентиляторными двигателями Rolls-Royce Spey суммарной мощностью в 110 тысяч лошадиных сил (82000 киловатт). Подобные двигатели устанавливались на некоторые самолеты F-4 Phantom II Королевских ВВС. При длине 16.5 метров, и массе 10.5 тонн, расход топлива этого монстра составляет порядка 18 литров в секунду. За 16 секунд Thrust SSC с нуля набирает скорость 1000 км/ч, рекордную скорость 1228 км/ч (766,097 миль в час) болид набрал за половину минуты.
Автомобиль Thrust SSC
За рулем болида находился пилот Королевских ВВС Энди Грин. Рекорд наземной скорости был установлен 15 октября 1997 года в пустыне Блэк-Рок (Невада, США), на специально подготовленной трассе длиной 21 км. Таким образом впервые за всю историю человечества управляемым наземным транспортным средством официально был преодолён звуковой барьер.
Автомобиль Thrust SSC
Будущий рекордсмен автомобиль Bloodhound SSH
Первая версия гибридного болида Bloodhound SSC была показана в 2010 году на авиа-шоу в Великобритании. Разработчики под руководством все того же Ричарда Нобла планируют побить мировой рекорд скорости за 42 секунды, разогнав автомобиль до 1609 км/ч (1000 миль в час).
Будущий рекордсмен автомобиль Bloodhound SSH
Свое имя Bloodhound автомобиль получил в честь ракеты, состоявшей на вооружении армии Великобритании несколько десятилетий. Сверхзвуковой болид Bloodhound SSC имеет длину 12,8 метра при весе 6,5 тонн. Машина оснащена сразу тремя двигателями: гибридным ракетным, реактивным двигателем Eurojet EJ200, которые обычно стоит на истребителях Eurofighter Typhoon, и 12-тицилиндровым V-образным бензиновым двигателем на 800 лошадиных сил. Каждый из этих двигателей предназначен для определенного этапа разгона автомобиля. Что интересно, колеса Bloodhound SSC изготовлены из алюминия и имеют диаметр почти один метр.
Будущий рекордсмен автомобиль Bloodhound SSH
Бонус 1: первый в мире самолет Bell X-1, преодолевший звуковой барьер
Cамолет Bell X-1 с ракетным двигателем
Удивительно, но официальная победа автомобиля Thrust SSC над звуковым барьером произошла ровно через пол столетия после того, как капитан Чарльз Йегер на экспериментальном самолёте Bell X-1 покорил звуковой барьер в воздухе.
Источник: novate.ru
Как преодолевалась скорость звука
У всего в нашей Вселенной есть определенные скорости. В середине прошлого века преодоление скорости звука человеком было существенно и знаменательно. В 1940-1950-х годах звуковой барьер обладал почти мифическим статусом, так как инженеры по всему миру пытались построить самолет, скорость которого превышала бы 1236 километров в час, что соответствовало быстроте перемещения, с которой звук передвигается в атмосфере Земли при температуре 20 град. Но что означает это ограничение перемещения? Что подразумевает физика этого явления, и как она влияет на попытки нашей инженерии преодолеть ее?
Скорость звука в воздухе при температуре 20 градусов и нормальном давлении составляет порядка 1236 километров в час или 343,3 метров в секунду
Быстрота перемещения звуковой волны
Звук в разных газовых средах передвигается, возмущая их молекулы — это всего лишь импульс давления, который перемещается сквозь воздух.
Быстрота перемещения этой волны давления определяется свойствами воздуха и зависит от его температуры: чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы воздуха. Кроме того, она зависит от массы молекул воздуха, а воздух, как известно, — это, в первую очередь, смесь азота и кислорода.
И еще реакция воздуха на сжатие может быть обусловлена так называемым «адиабатическим индексом». В разумном приближении, скорость звуковой волны зависит, главным образом, от среднего движения молекул воздуха при определенной температуре. Следовательно, скорость звука — совсем не предел.
Это просто быстрота перемещения, с которой волна давления проходит через воздух, и нет никаких причин, почему бы какому-либо объекту не удалось бы ее превысить. Это было известно задолго до того, как были изобретены самолеты, но это знание не удовлетворяло тех, кто хотел помочь человеку двигаться быстрее звука.
В ходе второй мировой войны было предпринято множество попыток производства сверхзвуковых самолетов, но преодоление скорости звука не было вплоть до 14 октября 1947 года, когда американский лётчик-испытатель Чак Йегер стал первым человеком, пилотировавшим сверхзвуковой самолет. На самолете Bell-XSl Йегер стартовал из бомбового отсека модифицированного бомбардировщика В29 и в горизонтальном полете преодолел звуковой барьер, с чем и вошел в историю авиации. Год позже советский пилот Иван Федоров повторил достижение Йегера в 1948 году. Советские самолеты Ла-176 (1948), МиГ-15 (1949), Як-50 (1950) уже позднее смогли преодолеть скорость звука. Преодоление скорости звука сопровождается красивыми визуальными и звуковыми эффектами.
«Хантер»
Первый серийный околозвуковой истребитель-бомбардировщик Хоукер «Хантер» уже мог преодолевать скорость звука. Это легендарный британский истребитель послевоенной эпохи, созданный в 1950-х годах. Этот самолет не должен летать на сверхзвуковых скоростях в горизонтальном полете, но в умелых руках пилота он смог превысить 1200 км в час, преодолевая звуковой барьер. Именно относительно быстрое движение материальной точки относительно выбранной системы ввело ещё одно понятие как число Маха по имени австрийского учёного Эрнста Маха (1838-1916). Это внесистемная единица измерения показывающая отношение скорости полета относительно звука.
Сейчас рекорд скорости для пилотируемых аппаратов на реактивных двигателях принадлежит американскому самолету-разведчику SR-71 и составляет 3955 км в час или 3,2 Маха
Следовательно, звуковой барьер — это вовсе не препятствие, а всего лишь ограничение перемещения самого звука, определяемое физикой движения молекул воздуха. В настоящее время скорость ракеты в космосе достигла величины 40 тыс. км/ч и пока имеет технологическое ограничение.
А что же световой барьер — то же самое?Почему достаточно мощный самолет или космический корабль не может летать быстрее, чем волны в электрическом и магнитном полях? Ответ заключается в том, что «световой барьер» имеет совершенно иную природу и в принципе не может быть преодолен. Причиной этого является то, что распространение света в пространстве имеет более важную роль во Вселенной, чем просто перемещение чего-либо.
Источник: v-nayke.ru
Что такое ударные волны и как они создаются?
Ударные волны возникают, когда что-то движется быстрее скорости звука, вызывая внезапные изменения свойств жидкости.
Когда вы слышите слово «ударная волна», на ум приходит несколько образов. Эффект взрыва бомбы, пожалуй, самый яркий из них. Давайте разберемся, что означают ударные волны в физике и как именно они создаются.
Что такое ударная волна?
Ударная волна, как и любая волна, представляет собой возмущение, движущееся через среду. Это тонкие волновые фронты, которые вызывают внезапные изменения давления, температуры и плотности среды.
Ударные волны возникают в сверхзвуковых потоках. Это когда что-то движется со скоростью, превышающей скорость звука в среде. Когда пуля летит со скоростью, превышающей скорость звука в воздухе, мы получаем ударные волны.
Чтобы визуализировать ударные волны, нам нужны специальные методы визуализации, такие как визуализация Шлирена.
Если ударная волна возникает в направлении, перпендикулярном направлению потока, их называют нормальными ударными волнами. Если они возникают под углом, их называют косыми ударными волнами.
Как образуются ударные волны?
Прежде чем перейти к вопросу «как», давайте рассмотрим число Маха. Это отношение скорости объекта, движущегося через среду, к скорости звука в этой среде. Таким образом, скорость 1 Маха означает, что объект движется со скоростью звука, также называемой трансзвуковой скоростью.
Число Маха
Рассмотрим лодку, движущуюся по воде. Лодка движется со скоростью, превышающей скорость волн на воде, поэтому волны вынуждены уходить с дороги. В результате образуется видимый нами след.
Когда объект движется через среду с низкой скоростью, число Маха меньше единицы. В этом случае волны в среде, исходящие от него, будут симметричными или почти симметричными во всех направлениях.
Когда он набирает скорость, волны перед ним сжимаются. Они будут иметь большую частоту, а волны позади него — меньшую. Волны впереди сжимаются тем сильнее, чем быстрее движется объект, пока мы не достигнем скорости звука.
При скорости звука число Маха равно единице, и в этот момент волны сжимаются и накладываются друг на друга в передней части объекта.
Что же происходит, когда движущийся объект превышает скорость звука? Волны не могут приспособиться или догнать объект и остаются, так сказать, позади. Отстающие волны создают форму расширяющегося конуса.
Ударные волны вокруг нас
Что создает ударные волны? Сверхзвуковые самолеты — очевидный ответ, поскольку они часто движутся со скоростью выше единицы Маха. На изображении ниже вы можете видеть, как сверхзвуковой самолет преодолевает звуковой барьер. Конус пара образуется в результате падения температуры и давления, вызванного ударными волнами. Когда ударные волны доходят до нас, мы слышим звуковой удар, который ассоциируется у нас с пролетающими мимо реактивными самолетами.
На рисунке ниже показано, как волны ведут себя в дозвуковых, маховых и сверхзвуковых условиях.
Пули, летящие со сверхзвуковой скоростью, генерируют ударные волны. Именно это вызывает «треск» пули, который можно услышать, когда она пролетает мимо кого-то. В потрясающем видеоролике ниже вы можете увидеть, как такие волны улавливаются с помощью технологии schlieren imaging и затем анализируются.
Звук, слышимый при ударе кнута, является результатом слабых ударных волн, создаваемых быстро движущимся наконечником. Да, именно так. Кончик кнута движется быстрее скорости звука, создавая этот звук!
Раскат грома также является явлением ударной волны. Взрыв петард — это результат ударных волн. Взрывы бомб создают похожие, но более крупные сферические ударные волны, которые могут опрокинуть здания, если взрыв достаточно сильный. Падение метеорита также может вызвать такие волны.
За пределами самолетов и бомб
Ударные волны возникают в сверхзвуковых потоках. Говоря об ударных волнах на примере самолетов, мы иногда ограничиваем наши представления. Здесь мы думаем об объектах, движущихся со сверхзвуковой скоростью, но мы также можем думать о жидкости, текущей со сверхзвуковой скоростью по трубе, которая сталкивается с изменением чего-либо — например, изменением формы или размеров трубы. В таком случае также возникнут ударные волны!
Источник: new-science.ru
Ученые определили верхний предел скорости звука во Вселенной
Специальная теория относительности Эйнштейна (СТО) устанавливает абсолютный предел скорости, с которой может двигаться волна – скорость света в вакууме составляет примерно 300 000 км в секунду. Однако до сих пор не было известно, имеют ли звуковые волны верхний предел скорости при прохождении через твердые тела или жидкости. Недавно британским и российским ученым удалось выяснить, как определить верхний предел скорости звуковых волн, зависящих от центральных констант – общих параметров, с помощью которых мы постигаем таинственную физику нашей Вселенной. Это ограничение скорости, как показали результаты исследования, опубликованного в журнале Science Improvements, составляет 36 километров в секунду, что примерно вдвое больше скорости звука, проходящего через самый твердый драгоценный материал на Земле – алмаз.
Скорость звука – скорость распространения в среде упругих волн.
Как распространяются световые и звуковые волны?
Итак, верхний предел скорости звука, согласно новым расчетам, составляет 36 километров в секунду, что примерно в два раза превышает скорость передачи звука через алмаз. Звук и свет путешествуют как волны, но ведут себя немного по-разному. Так, скорость звука определяется упругостью и плотностью среды, в газах и жидкостях она меньше, в твердых телах — больше. А вот в вакууме звуковые волны распространяться не могут, так как там нечему колебаться.
Видимый свет – это разновидность электромагнитного излучения, названного так главным образом потому, что световые волны состоят из колеблющихся электрических и магнитных полей. Эти поля генерируют самоподдерживающуюся электромагнитную волну, которая может перемещаться в вакууме – и ее основная скорость составляет около трехсот тысяч километров в секунду. А вот путешествие через среду, такую как вода или атмосфера, замедляет ее.
Представьте себе механическую волну, которая вызвана вибрацией в среде. Когда волна проходит через среду, молекулы этой среды сталкиваются друг с другом, передавая энергию по ходу движения. Следовательно, чем жестче среда и чем сложнее ее сжать – тем быстрее распространяется звук. В жестком надежном материале, как алмаз, звук может путешествовать еще быстрее.
Если приложить ухо к рельсам, вы услышите звук приближающегося поезда быстрее, чем по воздуху.
В жидкостях, в том числе в воде, звук мчится в 4 с лишним раза быстрее, чем в воздухе.
Авторы нового исследования отмечают, что сейсмологи, например, используют звуковые волны, вызванные землетрясениями глубоко в недрах земли, чтобы понять характер сейсмических событий и внутреннее строение земли. Они также представляют интерес для материаловедов, потому что определяют упругие свойства материалов, их способность противостоять нагрузкам. Все вышеперечисленное означает, что существует определенная проблема с тем, чтобы установить ограничение скорости звука во Вселенной. Так как же исследователям это удалось?
Чтобы всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram.
Ограничение скорости звука
Чтобы оценить ограничение скорости звука, группа исследователей из Лондонского университета Королевы Марии, Кембриджского университета и Института физики высоких давлений в Троицке обнаружила, что ограничение скорости звука зависит от двух фундаментальных констант: постоянной тонкой структуры (фундаментальной физической постоянной, характеризующей силу электромагнитного взаимодействия) и отношения масс протона и электрона (одна из важных физических констант, известна с большой точностью — 1836,152672.).
Точно настроенные значения постоянной тонкой структуры и отношения массы протона к массе электрона, а также равновесие между ними управляют ядерными реакциями такого типа, как распад протонов и ядерный синтез в звездах. Баланс между этими двумя величинами задает узкий коридор «зоны обитаемости» или «зоны Златовласки» – условной зоны в космосе с наиболее благоприятными условиями для жизни, – пишут авторы научной работы.
Авторы исследования надеются, что полученные результаты будут иметь дальнейшее научное применение.
Исследователи предположили, что темп звука уменьшается с увеличением массы атома. Проверив это предположение на широком спектре разнообразных материалов, ученые пришли к выводу о том, что звук должен передаваться быстрее всего через твердый атомарный водород, который может существовать только при очень высоком давлении, например, в ядрах газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн (давление на самых больших планетах Солнечной системы превышает один миллион атмосфер). Находясь в твердом состоянии атомарный водород представляет собой металл со сверхпроводниковыми свойствами. После проведения сложных квантово-механических расчетов исследователи определили что в твердом атомарном водороде скорость звука ближе всего к теоретическому пределу.
Издание Science Alert приводит слова одного из авторов исследования физика Константин Траченко (Kostya Trachenko) из Лондонского университета Королевы Марии:
Мы надеемся, что результаты научной работы получат дальнейшее применение в науке, что поможет исследователям найти и понять предельные значения различных свойств, например вязкость и теплопроводность, которые относятся к высокотемпературной сверхпроводимости, кварк-глюонной плазме и физике черных дыр.
Источник: hi-news.ru