Dat zijn nogal kloppen!

Roger Stulens stuurde mij eergisteren een prachtige powerpoint vol schitterende vliegtuigfoto's.
Eén van de spectaculairste beelden in de reeks was dat van een gevechtsvliegtuig dat door de geluidsmuur gaat. Je ziet de schokgolf over de vleugels hangen.

En dan kwam het onverdoken vraagje over hoe dat zit met het doorboren van de geluidsmuur.

Dat laat een (ex-)fysicaleraar zich geen tweemaal vragen.

Hier gaan we dan.

Hierboven zie je een stilstaande geluidsbron (blauw bolletje) die een toon met een bepaalde golflengte en dus ook een bepaalde toonhoogte uitstuurt.

Dit is te vergelijken met wat er gebeurt als je een steen in het water gooit.
De golflengte komt overeen met de afstand tussen de cirkels die zich in het water verspreiden.

Die cirkels kunnen we golffronten noemen.

Bij geluidsgolven gaat dat ook zo. Maar wat daar beweegt is geen water, maar lucht: de lucht ondergaat opeenvolgende samendrukkingen en uitzettingen.
Een waarnemer in de buurt neemt precies de toon waar die de bron uitzendt: de tijdsafstand waarmee de golffronten (cirkels) in het oor van de waarnemer terechtkomen, is precies dezelfde als de tijdsafstand waarmee ze door de bron werden uitgezonden.

Veronderstel nu dat die geluidsbron naar rechts gaat bewegen terwijl ze dezelfde toon blijft uitsturen. Door de beweging van de bron naar rechts, worden de golffronten naar rechts in elkaar gedrukt en naar links uit elkaar getrokken.

Een waarnemer rechts van de bewegende bron neemt een toon met een kleinere golflengte (hogere toon) waar dan de toon die door de bron werd uitgestuurd.

Een waarnemer links van de bewegende bron neemt een toon met een grotere golflengte (lagere toon) waar dan de toon die door de bron werd uitgestuurd:

Dit effect staat bekend als het Doppler effect.
We kennen het allemaal van het effect dat we horen als ons auto's voorbijsnorren. Als ze naar ons toe komen horen we een verhogende toon. Als ze voorbij zijn, horen we een verlagende toon.

Start de geluidsopname hieronder maar, dan hoor je wat ik bedoel:

Je zal wel begrijpen dat hoe sneller de bron naar ons toebeweegt, hoe sneller de opeenvolgende golffronten in ons oor terecht komen.

En nu zijn we er bijna.

Veronderstel eens dat de snelheid waarmee de bron naar ons toe beweegt precies gelijk is aan de snelheid waarmee de opeenvolgende golffronten uitgestuurd worden. Dan komen al die golffronten op het zelfde moment in ons oor terecht. Ons oor ervaart in één keer de som van al die opeenvolgende samendrukkingen en uitzettingen van de lucht. We horen ne ferme patat.

De bron heeft op dat moment dezelfde snelheid als de snelheid van het geluid. Men zegt dat de bron de geluidsmuur doorbreekt. De snelheid van de bron noemt men dan Mach1:

Mach1, een snelheid gelijk aan de geluidssnelheid is niet mis.

Bij gewone temperaturen bedraagt die 340 m/s of 1224 km/h.

Niet te verwonderen dat het dus gevechtsvliegtuigen zijn die de geluidsmuur kunnen doorbreken.
Als de luchtvochtigheid, de luchtdichtheid en de luchttemperatuur precies de geschikte waarden hebben, kunnen de enorme drukveranderingen in de lucht die optreden bij het doorbreken van de geluidsmuur voor spectacualaire condensatie-effecten zorgen. Dit is wat we zien in de foto bovenaan dit blogberichtje en in volgend filmpje.

Eenmaal de geluidsmuur doorbroken, vliegen vliegtuigen dus sneller dan het geluid. Ze zijn supersonisch. De teloorgegane Concorde was een fantastisch passagiersvliegtuig uit die categorie.

Een waarnemer hoort ze pas als ze al voorbij zijn: de golffronten en de ferme geluidsklap (de supersonic boom) komen pas in ons oor terecht als het vliegtuig al een heel stuk verder is:

Ik stel vast dat het doorboren van de geluidsmuur toch niet meer zoveel te horen is.
De dure tijden zorgen er wellicht voor dat de legervliegtuigen minder oefenen en misschien ook aan lagere snelheden vliegen?
Maar als je er nog ooit eentje hoort, denk dan eens aan mij.
Zo dikwijls zal je dat dan ook niet moeten doen.
En ik zal het weten, want mijn oren zullen toeten.