Charles Yeager (1923 – 2020) was een durfal. In 1947 waagde hij het om als eerste mens sneller dan het geluid te gaan. Hij bestuurde een klein oranje raketvliegtuig (figuur 1) dat onderaan een bommenwerper in de lucht werd gebracht. Op acht kilometer boven de Californische woestijn werd het losgelaten. Yeager ontstak vervolgens de raketmotor en stuurde het naar dertien kilometer hoogte, terwijl de snelheidsmeter steeds verder uitsloeg.
Voor het eerst in de geschiedenis was op aarde de knal te horen van een vliegtuig dat sneller dan het geluid overkomt vliegen: de supersonische knal (in het Engels sonic boom). Dat was te lezen in de NRC van 17 februari 2021.
geluidssnelheid
Aan het aardoppervlak is de geluidssnelheid bij kamertemperatuur 343 m/s.
a) Reken dit om in km/h.
340 m/s = 340 · 3,6 km/h = 1224 km/h.
De snelheid van een vliegtuig dat even snel gaat als het geluid noemt men mach-1. Op grote hoogte zijn temperatuur en luchtdruk lager dan aan het aardoppervlak. Dan is de geluidssnelheid kleiner. Zo is die op 11 kilometer hoogte maar 295 m/s.
b) Geef een reden waarom bij vliegtuigen die met de geluidssnelheid gaan, de snelheid wordt aangegeven met mach-1 in plaats van m/s of km/h.
De snelheid waarbij het vliegtuig even snel gaat als het geluid hangt dus af van de temperatuur en de druk op de hoogte waar het vliegt. Dan zou je bij iedere hoogte een andere snelheid moeten noemen. Het is veel gemakkelijker om te zeggen: het vliegt met mach-1.
(Als een straaljager of raket tweemaal zo snel gaat als het geluid, noemt men zijn snelheid mach-2. Enzovoorts)
supersonische knal
Waarom hoor je op aarde een knal als een vliegtuig sneller dan mach-1 overkomt? Daarvoor kijken we eerst naar een vliegtuig dat met loeiende motor op de startbaan stilstaat. Het geluid gaat met dezelfde snelheid in alle richtingen. Dit is schematisch weergegeven in figuur 2. Er zijn twee waarnemers, A en B. Ze zullen zo dadelijk, als het geluid bij hen aankomt, hetzelfde geluid horen.
Maar als het vliegtuig snelheid heeft, is de situatie anders. Dat zie je in figuur 3. Hier zijn C en D de waarnemers. Het vliegtuig en dus ook het middelpunt van de cirkels beweegt naar rechts. Het geluid komt dus steeds van een andere plaats. Als de geluidsgolven bij hen aankomen, zal D per seconde meer geluidsenergie ontvangen dan waarnemer C.
c) Hoe zie je in de figuur dat D meer geluidsenergie zal ontvangen dan C?
De cirkels die bij D aankomen zitten dichter bij elkaar dan die welke bij C aankomen. Bovendien is het vliegtuig dichter bij D dan bij C. D ontvangt meer geluidsenergie.
Hoe sneller het vliegtuig gaat, hoe dichter de golven aan D’s kant bij elkaar liggen. Maar er gebeurt iets bijzonders als de snelheid van het vliegtuig groter is dan die van het geluid. Het vliegtuig beweegt sneller dan de geluidsgolven. Ze kunnen het vliegtuig niet bijhouden. Zie figuur 4.
Er zijn drie waarnemers getekend: E, F en G. Het geluid van het vliegtuig is nog niet gearriveerd bij G. Nog heel even, en dan komt het geluid bij F, terwijl E al in het lawaai zit.
d) Wat hoort G?
Niets.
e) Wat kun je zeggen van de geluidsenergie die E ontvangt vergeleken met A en B (figuur 2)?
Minder. De cirkels bij E liggen verder uit elkaar.
f) Hoe kun je zien dat F zo dadelijk heel veel geluidsenergie zal ontvangen?
De cirkels van een hoop golven vallen over elkaar heen. Er komt dus tegelijk een hoop geluidsenergie.
Waarnemer F ervaart dit even later als een luide knal. Dat is de supersonische knal.
Het vliegtuig vliegt naar rechts. Dus, nog even wachten en dan is het G die een knal hoort.
g) Waarom is wat F ervaart een knal?
De hoop geluidsenergie is er maar heel kort. Eerst was het stil, dan even geweldig veel geluid, en tenslotte matig geluid. Zoiets noem je een knal.
h) Leg uit dat je beter kunt zeggen dat er een schokstrook is die over de waarnemers heen gaat.
Zie onderstaande figuur. De schokstrook beweegt met het vliegtuig mee. Iedereen krijgt hem te horen als het vliegtuig overkomt.
geluidsbarrière
In de krant staat dat niemand wist wat er met een vliegtuig gebeurt als het met mach-1 vliegt. Men zei dat een vliegtuig dat de snelheid verhoogt tot boven mach-1 door de geluidsbarrière gaat. Zou het niet uit elkaar vallen? Yeager durfde het aan. En hij kon het navertellen. Helemaal niets had hij er in zijn raketvliegtuig van gemerkt.
Later maakte hij nog meer vluchten. In 1953 bereikte hij zelfs een snelheid van mach-2,4. Maar bij die vlucht verloor hij op 24 kilometer hoogte bijna een minuut lang het bewustzijn.
i) Heb je een idee wat er aan de hand geweest kan zijn?
Je zou kunnen denken dat het vliegtuig bij dergelijke hoge snelheden moeilijker onder controle te houden is. Op internet is te vinden dat ging ‘rollen, stampen en gieren’. Kun je voorstellen dat je daar ziek van wordt?
