Snažan prasak koji se čuje nakon preleta nadzvučnog aviona posljedica je nagle promjene tlaka zraka. Iako ga obično opisujemo kao probijanje zvučnog zida, ne nastaje samo u trenutku kada avion prijeđe brzinu zvuka. Avion stvara udarne valove tijekom cijelog nadzvučnog leta, a čovjek na tlu čuje prasak kada valovi dopru do njega.
Izraz “zvučni zid” može navesti na pogrešan zaključak da u zraku postoji prepreka koju avion mora probiti. Zapravo je riječ o promjeni načina na koji zrak struji oko letjelice. Prasak se može čuti daleko od mjesta na kojem je avion prvi put dosegnuo nadzvučnu brzinu. Pilot u kabini pritom ne čuje isti zvuk kao promatrač na tlu.
Kako nastaje zvučni udar
Zvuk se zrakom prenosi kao niz promjena tlaka. Dok avion leti sporije od zvuka, male promjene tlaka mogu se širiti i ispred njega. Pri nadzvučnom letu avion se kreće brže nego što se te promjene šire kroz okolni zrak, a oko njega nastaju udarni valovi: vrlo uska područja u kojima se tlak, gustoća i temperatura zraka naglo mijenjaju.
Valovi nastaju uz različite dijelove aviona, uključujući nos, krila i rep. Dok se udaljavaju od letjelice, mogu se spajati. Na tlu se njihov prolazak čuje kao zvučni udar, odnosno kratak i snažan prasak.
U pojednostavljenom prikazu udarni valovi šire se od aviona u obliku stošca. Kako avion napreduje, mijenja se i područje tla do kojeg valovi dopiru. Stanovnici dvaju udaljenih mjesta stoga mogu čuti prasak u različito vrijeme tijekom istog preleta. Avion pritom ne mora ponovno prijeći brzinu zvuka da bi se prasak čuo na drugome mjestu.
Kolika je zapravo brzina zvuka?
Machov broj uspoređuje brzinu aviona u odnosu na okolni zrak s brzinom zvuka u tom zraku. Mach 1 znači da su te brzine jednake, a Mach 2 da se avion kreće dvostruko brže od zvuka. Za tu usporedbu važna je brzina kroz zrak, a ne brzina u odnosu na tlo, na koju utječe i vjetar.
U suhom zraku pri temperaturi od 20 °C zvuk putuje približno 343 metra u sekundi, odnosno oko 1235 kilometara na sat. No brzina zvuka ovisi o temperaturi. U hladnijem zraku manja je, pa avion na velikoj visini može dosegnuti Mach 1 pri manjoj brzini izraženoj u kilometrima na sat nego blizu tla za toplog dana.
Let brzinom bliskom brzini zvuka naziva se transoničnim letom. Strujanje nije jednako brzo uz sve dijelove aviona: zrak se na pojedinim mjestima može gibati nadzvučno i prije nego što cijeli avion premaši lokalnu brzinu zvuka.
Zašto se ponekad čuju dva praska
Na većoj udaljenosti od nadzvučnog aviona klasične konstrukcije često prevladavaju dva glavna udarna vala, povezana s prednjim i stražnjim dijelom letjelice. Njihov prolazak može proizvesti dva vrlo bliska praska. Ako je razmak između njih dovoljno malen, slušatelj ih doživljava kao jedan zvuk.
Glasnoća ne ovisi samo o brzini aviona. Važni su njegova veličina, masa i oblik, visina leta, putanja te stanje atmosfere. Val koji do tla mora prijeći veću udaljenost u pravilu oslabi, ali na njegov put utječu i temperaturne razlike, vjetar i turbulencija. Zbog toga zvučni udar ne mora zvučati jednako ni ljudima koji se nalaze relativno blizu jedni drugima.
Zvuku treba vremena da stigne do promatrača. Dok se na tlu čuje prasak, avion je već odmaknuo od položaja s kojeg je val krenuo. Pogled prema mjestu odakle je zvuk stigao stoga ne mora odmah otkriti letjelicu.
Što pilot čuje u kabini?
Pilot ne čuje vlastiti zvučni udar kao osoba na tlu. Kabina se kreće zajedno s avionom, pa vlastiti udarni valovi ne prolaze preko njega kao preko promatrača na tlu. To ne znači da u avionu vlada tišina: čuju se motori, strujanje zraka i oprema.
NASA-in pokusni pilot Nils Larson objasnio je u razgovoru o nadzvučnom letu da se nadzvučna brzina u kabini često primijeti tek na instrumentima. Prijelaz ne mora pratiti snažno podrhtavanje ni prasak. Koliko će se prijelaz osjetiti ovisi o konstrukciji aviona i uvjetima leta.
Bijeli oblak oko aviona nije dokaz probijanja zvučnog zida
Na snimkama brzih preleta oko aviona se ponekad pojavi bijeli oblak, često stožastog oblika. Kada tlak i temperatura u dijelu strujanja oko aviona dovoljno padnu, vodena para iz vlažnog zraka kondenzira u sitne kapljice koje tvore oblak.
Za takav oblak potrebni su odgovarajući uvjeti, prije svega dovoljno vlage. Sama njegova pojava ne dokazuje da je avion upravo prešao Mach 1. Kondenzacija se može pojaviti i pri podzvučnom letu, a pri nadzvučnom letu kroz suh zrak oblak može potpuno izostati.
Udarne valove znanstvenici snimaju posebnim optičkim metodama koje otkrivaju promjene gustoće zraka. NASA je tako zabilježila udarne valove oko dvaju aviona T-38 u nadzvučnom letu. Boje na takvim obrađenim snimkama služe za prikaz strujanja; ne odgovaraju prizoru koji bi promatrač vidio golim okom.
Može li nadzvučni avion biti tiši?
Chuck Yeager izveo je prvi potvrđeni nadzvučni let s posadom u vodoravnom letu, u avionu Bell X-1 1947. godine. Jedan od najvećih problema za širu primjenu takvih letova ostaje buka koja dopire do tla.
Oblik aviona može promijeniti raspored i jačinu udarnih valova. Takav pristup primjenjuje NASA-in eksperimentalni X-59. Njegov izduženi nos i raspored ostalih dijelova osmišljeni su kako bi ograničili spajanje valova u snažan udar. Cilj je da se na tlu čuje znatno slabiji zvuk.
U sklopu misije Quesst predviđeni su i preleti naseljenih područja kako bi NASA ispitala reakcije stanovnika na takav zvuk. Rezultati bi trebali pomoći u određivanju prihvatljivih razina buke za buduće nadzvučne letove iznad kopna.
