到达音速极限会出现音障,那到达智商极限……

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来自自招的难题 ◣
2016年北大博雅的面试中曾经出现过这样一个问题:音障是什么?白雾的成因又是什么?不少同学曾被这个问题问的一脸懵逼,结果与降分失之交臂。
今天就让我们来聊一下,音障到底是个啥?

一个小故事 ◣

第二次世界大战的某天,万里无云,阳光正好。战斗机飞行员A为了逃出后方敌机追击,疯狂加速,直至达到马赫数MO.9(空中时速约950公里)。正当他庆幸成功脱离包围圈时,突然,飞机周身出现了一片白雾。A心里暗道不妙,这是遇见“音障”了!果不其然,几秒钟后只见空中炸开一团巨大的火花带着滚滚浓烟,飞机碎片四散开坠落,A连带战斗机一起机毁人亡。

等等!
这个故事也太假了吧?
就这点白雾能让飞机爆炸?
你不是在逗我吧?
停停停!

心里产生这种疑惑的同学乖乖坐下,拿出小本本来好好记一下吧。
(没有这种疑惑的课代表、裁判、上一届冠军也坐下,不要再秀了。)

◢ What is 音障 ◣
要回答上面几个问题,首先让我们来看看“音障”到底是什么吧。

当物体(通常是航空器)的速度接近音速时,物体将会逐渐追上自己发出的声波。声波叠合累积会造成震波(气体超音速流动时产生的压缩现象之一)的产生, 进而对飞行器的加速产生障碍,这就是音障。当航空器以超过音速的速度飞行, 正好要加速突破音障时,航空器的周围有时候会有一团云雾形成。

不过,关于这团云雾的成因,科学界仍然颇有争议。目前最盛行的理论认为:在飞机加速突破音障的瞬间,飞机四周的空气压力骤降,发生了一种奇特效应, 使空气中的水气凝结成小水滴,从而形成一团云雾。

好了上面那么长的一段字都不用看,直接看下面的内容就OK。
在正式讲之前,先给你们变个小魔术。BGM请自行播放:
《Pen Pineapple Apple Pen》
首先,I have a 飞机。

然后,I have a 空气。
(气死纠结语法的强迫症)

最后,两者一相撞。
啊~
音障~

是不是特别厉害!
大声告诉我你想学!
◢ 解密时间 ◣
众所周知,我们生活的空间周围都是充满了空气的,那么我们假设图中的飞机也在这种环境中。

在这种情况下,我们先将目光放在飞机前面的这团气体上。当飞机向前飞行时(也就是向图中的左边移动),那么毫无疑问,前面的这团气体会由于飞机的运动而被推开。

让我们来看看在慢镜头下,这个过程中具体发生了些什么。

第一步,飞机朝前方飞行。
第二步,飞机撞上前方气团,气团被挤压变形。
第三步,被挤压变形的气团恢复原状。

虽然在普通情况下,这团气体恢复原状的过程很迅速,但仍需要一定的时间。那么设定这样一个场景,假如在这种情况下,飞机的速度极其快,快到被挤压的气体还没来得及恢复原状,就又被快速飞行状态下的飞机继续挤压。同时在这团被挤压的气体后面,还有另外的气体也接连不断地处于被挤压的状态。那么这时候,飞机前方就会形成一连串的来不及恢复原状的压缩气体。


这时候便会出现上图中的情形。

那么问题来了,飞机得达到什么样的速度才能使气体来不及恢复呢?答案正是音速。

声音传播,靠的就是空气的压缩与复原,空气压缩再复原的速度就是音速。所以,音速就是一个很特殊的速度,飞行速度要与音速做对比。

这时候让我们再结合最开始跳过的那一段来看,“音障”其实指的就是当一个物体飞行速度接近音速时,会遭遇一股强大的空气阻力,使之产生强烈的震荡,造成速度瞬间衰减的情况。
◢ 突破音障 ◣

图为我国歼十战机
不过现在的人们已经不用再为“音障”而发愁了,因为物理研究的逐渐深入,飞机也经过了几代改良,特别是超音速飞机的出现,已经让“音障”成为了一个历史名词。

接下来我们看看,质心的物理老师们是如何在咱们的冬令营的基础班、复赛班讲的超音速飞机和音障吧。

温馨提示:拿出你的小本本开始记啦!

上图这是普通飞机。飞机最开始在红色处,一边往右边飞一边发出声音,最后在黑色处。飞机飞行的速度比声音传播的速度慢。

经过一段时间后声音能传播到的最远处形成一个圆形(立体情况下是一个球形),传播到最远处的声音是飞机在最开始发出来的。

这是超音速飞机。飞机最开始在红色处,一边往右边飞一边发出声音,最后在黑色处。

飞机飞行的速度比声音传播的速度快。经过一段时间后声音能传播到的最远处形成两条直线(立体情况下是一个圆锥),传播到最远处的声音是并不是飞机在开始发出来的。

这个圆锥又叫马赫锥,更有意思的是,他还有一个家喻户晓的名字——冲击波。有一个日本漫画家叫鸟山明,画了一部风靡全球的漫画叫七龙珠,里面一个超牛B人物叫孙悟空,有一个招牌招式叫“龟——派——气——功”的名字也叫冲击波。

事实上鸟山明误导了全世界人民,冲击波不是用手打出去的气功,而是因为波源速度太快,冲击而形成的波。

这是音障。飞机最开始在红色处,一边往右边飞一边发出声音,最后停在黑色处。

飞机飞行的速度和声音传播的速度一样。这样经过一段时间后,每时每刻发出的声音都会聚在飞机处,飞机所在处出现剧烈的空气震荡,形成了犹如一堵墙一般的空气团,俗称“音障”。

所以现代飞机要突破音障,都会把飞机的头做成一个尖尖。这个尖尖就是拿来刺破音障的。
◢ 作业时间 ◣
简单了解完关于音障的知识后,咱们就可以来做一道经常在冬令营的基础班和复赛班里的题了。

说,蔡子星有一天走在大街上,突然听见飞机的声音。抬头一看发现飞机的仰角是30°。一低头算出了飞机的飞行速度,掏出自己的手枪,一枪打爆了飞机。求蔡子星算出来的飞机速度是多少?

当然,经常有同学质疑说,只有飞机飞行速度,没有飞机飞行高度是打不爆飞机的。于是我们可以再严格一点。

说,蔡子星有一天走在大街上,突然听见飞机的声音。抬头一看发现飞机的仰角是30°,再经过Δt时间,听见正上方传来的声音。一低头算出了飞机的飞行速度和飞行高度,掏出自己的手枪,一枪打爆了飞机。求蔡子星算出来的飞机飞行高度是多少?

这个问题还有一个,最高级版。问金将军(金三胖)走在大街上,听见了天上各处传来飞机声,掏出自己的手枪。求:能打爆多少架飞机?
◢ 音障,bye ◣
感谢各方科研人员的努力,特别是物理界的dalao们,正是因为他们孜孜不倦地工作在科技第一线,飞机才能成功地突破“音障”,让速度真正达到了超越音速。“音障”这个名词也就此成为了一个历史名词。

所以,让我们重回这篇文章的标题。
到达音速极限会出现音障,那到达智商极限……
当然不可能是智障啦!

好了,说正经的,如果你的同学物竞已经6得飞起,程书难集刷得得心应手,还时常与dalao谈笑风生,而你却还是物竞小萌新,感觉头上有如“音障”笼罩,想要突破又找不到秘籍……
emmmm,通常伴有这样“症状”的小萌新会选择基础班(←戳这个链接了解课程)来快速掌握知识,实现弯道超车~

顺带一提,第一个故事是我编的。(当然你们肯定也猜到了……)

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