Kodėl raketiniai varikliai tokie garsūs?
Trumpas atsakymas: Raketiniai varikliai yra triukšmingi, nes didžiulis kiekis karštų, dideliu greičiu lekiančių dujų išsiveržia ir sukuria dideles slėgio bangas (garsą). Kai šis srautas yra viršgarsinis arba labai turbulentinis, jis sukuria stiprias smūgines bangas ir triukšmingą maišymąsi su oru.
Išsamesnis paaiškinimas
Raketa degina kurą ir gamina labai karštas, aukšto slėgio dujas. Šios dujos labai greitai ištrūksta iš variklio ir stumia raketą į priekį. Greitai judančios dujos stumia orą ir sukuria slėgio bangas – tai garsai.
Kai išmetamosios dujos sklinda greičiau nei garso greitis arba sudaro chaotiškus sūkurius (turbulenciją), slėgio bangos sustiprėja. Smūginės bangos yra staigūs slėgio šuoliai, kurie yra ypač garsūs. Be to, degančios dujos ir šaltas oras turi skirtingą „akustinę varžą“ (kaip sklinda garsas), todėl skleidžiama daugiau garso.
Žemė arba paleidimo aikštelė gali atspindėti garsą ir padaryti jį dar garsesnį. Arti variklių garsas gali būti pakankamai stiprus, kad sudrebintų daiktus ir skaudėtų ausis.
Kaip tai veikia moksliškai
Įvardyti dėsniai / principai: Poveikio/dėsnio pavadinimas: reaktyvinio variklio triukšmas ir smūginės bangos triukšmas, fizikoje paaiškinamas Lighthill akustine analogija (garsas iš turbulentinio srauto) ir akustinės varžos neatitikimu.
Raketos sukuria trauką dideliu greičiu išstumdamos karštas dujas. Šis srautas gali būti turbulentinis (chaotiškas) ir dažnai pasiekia viršgarsinį greitį. Turbulencija veikia kaip daugybė mažyčių vibruojančių šaltinių, skleidžiančių garsą.
Viršgarsinės išmetamosios dujos sudaro smūgines bangas: staigius, greitus slėgio pokyčius, kurie perneša daug akustinės energijos. Akustinės varžos neatitikimas – skirtumas tarp to, kaip garsas sklinda karštose išmetamosiose dujose ir vėsesniame ore – sukelia stipresnį garsą, kuris sklinda į išorę, o ne lieka išmetamosiose dujose. Garsumas priklauso nuo masės srauto (kiek dujų), išmetamųjų dujų greičio ir purkštukų konstrukcijos.
Kaip mes tai žinome: Inžinieriai matuoja raketų triukšmą mikrofonais, slėgio jutikliais ir didelio greičio kameromis bandymų ir paleidimų metu. Aerodinaminio tunelio ir kompiuteriniai modeliavimai taip pat atkuria turbulencijos ir smūgių modelius, kuriuos matome tikruose bandymuose .
Kur tai pastebėsi
- Erdvėlaivių paleidimai buvo garsiai žinomi dėl didelių kietojo kuro raketų greitintuvų, kurie skleidė galingas smūgines bangas.
- Kylantis reaktyvinis lėktuvas netoliese skleidžia garsų garsą dėl tos pačios priežasties: didelio greičio išmetamosios dujos ir turbulencija.
- Maži raketų modeliai iš arti skleidžia aštrų ir garsų trenksmą, nes išsiskiriančios dujos yra koncentruotos ir šalia ausų.
- Viršgarsinis orlaivis, peržengiantis garso barjerą, sukuria garsinį sprogimą – panašų smūginės bangos triukšmą.
Eksperimentas
Baliono purkštuko keliamas triukšmas
Sauga: Dėvėkite apsauginius akinius, laikykite veidus atokiau nuo baliono angos ir darykite tai atviroje erdvėje.
Priemonės
- balionas
- virvelė (nebūtina)
- žymeklis (nebūtina)
Žingsniai
- Pripūskite balioną maždaug perpus ir užriškite jį arba laikykite kaklelį užspaustą pirštais.
- Ištempkite baliono kaklelį ir nukreipkite angą nuo žmonių ir trapių daiktų.
- Atleiskite kaklelį, kad oras išbėgtų ir balionas skraidytų.
- Pabandykite dar kartą, tvirtiau laikydami balioną, kad oras išeitų lėčiau. Ką tai rodo: Greitai išeinantis oras skleidžia garsesnį, aštresnį garsą, panašų į mini raketos išmetimą.
Naudingi terminai
- Garso banga: Judantis oro slėgio pokytis, kurį mūsų ausis suvokia kaip garsą.
- Turbulencija: Chaotiškas, sūkurinis judėjimas skystyje (ore ar dujose), sukeliantis triukšmingus slėgio pokyčius.
- Smūginė banga: Staigus slėgio šuolis, kuris juda greičiau nei garsas ir sukelia labai garsų triukšmą.
- Akustinė varža: Kaip lengvai garsas sklinda per medžiagą ar dujas; dideli skirtumai priverčia daugiau garso ištrūkti.
Vaikai klausia
Ar raketų keliamas triukšmas gali išdaužti langus?
Taip, labai garsūs paleidimai gali išdaužti netoliese esančius langus, jei jie yra arti ir nėra apsaugoti.
Ar visos raketos skleidžia tą patį triukšmą?
Ne, garsumas priklauso nuo variklio tipo, išmetimo greičio ir atstumo.
Ar inžinieriai gali padaryti raketas tylesnes?
Kai kurie metodai sumažina triukšmą, pavyzdžiui, vandens slopinimas paleidimo aikštelėse, tačiau visiškai tylios raketos kol kas nėra praktiškos.
Ar triukšmas pavojingas?
Labai garsus raketų keliamas triukšmas gali pažeisti klausą, todėl paleidimo metu jį reikia laikyti atokiau nuo žmonių.