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我们经常能在公园及广场上，看到有一些老大爷在甩鞭锻炼身体，每一鞭子甩出去都能听到“啪”的一声，而且声音还非常的响亮，所以有时候还会被投诉扰民，那为什么有这么大的声音呢？ 你仔细观察就会发现，大爷们使用的这些鞭子尾部是很细很柔软的，正常情况下振动是不会发出这么大的声音的，有那么大的声音是因为每一次甩鞭的速度都很快，都达到了超音速，每一次甩鞭“啪”的一声响就是鞭子尾部制造出了一次小小的音爆，厉害吧，所以你不要小瞧甩鞭子的老大爷，它们用小鞭子就能甩出超音速来。 不管是声音还是物体在空气中传导时都会受到阻力，使其产生震荡就会形成一道屏障，并且传递速度也会逐渐衰减，这也被称为音障。 而当这个物体的速度足够快，达到超音速时冲过这道屏障时，就相对于产生一个强烈的冲击波一样，我们耳朵就会听到“啪”的爆炸声，这就形成音爆了，并且有时还会同时伴随出现一团锥形云。 图片来源：pixabay 音爆的由来 我们知道声音在空气中传播的速度是340m/s，而当一个物体在空气中超过了这个速度时这就是超音速。 现在我们对音爆这种物理现象的了解，多是通过超音速飞机看到或听到的，其实第一次音爆现象也是通过飞机实现的。 在1947年美国人驾驶的X-1型飞机，以每小时1278公里的速度飞行时，在空中留下一团云雾并且伴随着一声巨响，这是人类第一次突破音障，这个飞行员也是人类第一个将声音抛在后面的人。 音爆的原理 当我们往水中扔一个石头时，水面就会出现一圈圈的波浪，这是因为水平面被扰动后出现的，而在空气中被运动的物体扰动也会形成波。 声音在空气中就是以波浪的形式传播的，你可以将声波想象成从中心点发出的很多同心圆，而每个圆代表声波的波浪。 当中心发声源不动时声波的波浪圈就会对称的传递下去，当发声源开始运动并且速度还相当快，超过了前面已经发出的声波圈，前面的声波圈就会被压扁堆积，每一波会比前一波更快的到达，这种声波压缩的结果是声音频率的增加，这就好比朝你开来的车声音越来越大，而离你远去的车声音越来越低。 以超音速飞机为例，当它们在飞行时也会不断的发出声波，这些声音来源于发动机的噪音和空气阻力，这些声音也跟其它发声源一样以同心圆的方式传播，当飞机的速度越快这些同心圆声波就越接近，但是只要速度不超过340m/s，这些同心圆声波就不会相互碰撞或者重叠，因为这些声波能在后一个波到达时前一个波能扩散开。 但是当飞行速度超过声速时飞机比声波更快，飞机对空气的压缩无法迅速传播，逐渐在飞机的前面压缩积累犹如一道墙，当突破这道墙时能量高度集中，这些能量传到耳朵里时就会让人感觉到短暂而强烈的爆炸声，这就是音爆形成的原因。 音爆云 当飞机加速到一定速度时不但能听到音爆声，还能在机尾看到锥形的云雾，看起来就好像给飞机穿上了白色的斗篷，但马上又会消失得无影无踪，物理学也称这个为音爆云。 当飞机达到一定的速度时，机身周围原本看不可见的水蒸气就会凝结变成液态，这是因为在不同压力下水会出现固，液，汽三种不同的状态。 在高空中气压小，水一般以水蒸气的形态存在，当飞机飞过时空气被挤压，压力就会变大，就会将水蒸气变成液态，就可以看到很多雾状或者小水滴出现的画面。 也就是说飞机瞬间加速到超音速，理论上时速超过1224千米就可能突破音障，周围空气被挤压而让气压升高出现音爆，让机身周围的水蒸气从看不见的气态瞬间变成看得见的液态或者固态，变成了蒸汽锥形云，就会出现这种音爆云。 是否能看到这种音爆云，不一定完全取决于飞机的速度，也并不会完全与音爆同时出现，还取决于大气湿度和大气温度。 图片来源：pixabay 其实能在空气中飞行速度达到超音速的不仅只有飞机，那么是不是都能产生音爆这种物理现象呢？ 我们知道子弹的速度很快，有的能够超过1000m/s肯定比超音速飞机快多了，怎么没有出现音爆现象？有下面两种说法。 因为子弹的运动模式并不是在空气中加速达到这个速度的，子弹在外弹道口时速度是最快的，然后进入空气中后由于自身没有加速的动力，受到空气摩擦以及地心引力的作用，速度会逐渐变慢，所以在子弹到达外弹道口的时候已经突破了音速，而进入空气中会减速达到音速的，所以就不会产生音爆现象。 还有一种说法就是，子弹在射出的一瞬间是有音爆的，但与枪声混合在一起，耳朵也是根本听不出来的， 感觉两种说法都有道理，但目前并没有科学的实验去证实这个结果。  人类对速度的痴迷从发明轮子以来就在不断的突破，从发明每小时行驶上百公里的汽车到每小时飞行上千公里的飞机，这些对速度的追求也带来了如音爆和音爆云这样震撼的物理现象。 现在通过科学家的研究发现，在几亿年前就有一些长尾恐龙它们的甩尾速度就已经超过了音速，达到了超音速，那这些恐龙有可能就是地球上最早达到超音速的物种了；还有公园里甩鞭子产生的音爆，也有可能是第一个突破音爆的人造物品，那么这些甩鞭子的大爷应该算是第一类能熟练掌握音爆技术的人群，真是厉害了我的大爷！ 文中图片截取自《Xian Chinese Man Using a Whip》《Chuck Yeager Breaks the Sound Barrier -- X-1 -- 1947》《What Is a Sonic Boom_ And How It Breaks Every Rule You Know》《》 |
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