Tiếng nổ siêu thanh là gì: khi máy bay vượt bức tường âm thanh

Tiếng nổ siêu thanh là tiếng "đùng" như sấm nổ gần mà người dưới đất nghe thấy khi một vật bay nhanh hơn âm thanh đi ngang qua. Nó không phải tiếng nổ một lần lúc máy bay "phá bức tường âm thanh", mà là một sóng xung kích hình nón kéo theo vật bay suốt thời gian nó còn bay siêu thanh. Ai đứng trong dải đất mà chiếc nón ấy quét qua đều nghe, vào đúng khoảnh khắc mép nón chạm tới chỗ mình.

Âm thanh nhanh cỡ nào và "Mach" là gì

Âm thanh là sóng áp suất truyền qua không khí. Tốc độ của nó phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ: khoảng 340 m/s (khoảng 1.225 km/h) ở mặt đất ngày mát, nhưng chỉ khoảng 295 m/s (khoảng 1.060 km/h) ở độ cao 11 km, nơi nhiệt độ xuống gần âm 57 °C. Vì thế không có một "tốc độ phá bức tường âm thanh" cố định; nó tuỳ độ cao và thời tiết.

Để khỏi lằng nhằng, người ta dùng số Mach: tỉ số giữa tốc độ của vật và tốc độ âm thanh ở chỗ vật đang bay. Mach 1 là đúng bằng tốc độ âm thanh, Mach 2 là gấp đôi. Tên gọi lấy theo nhà vật lý người Áo Ernst Mach, người cuối thế kỷ 19 đã chụp được ảnh sóng xung kích quanh viên đạn bay, một trong những bức ảnh đầu tiên cho thấy sóng âm bằng mắt thường.

Sóng xung kích hình thành thế nào

Hãy hình dung vật bay liên tục phát ra những "gợn" áp suất, như hòn đá ném xuống ao tạo vòng sóng. Mỗi gợn lan ra mọi phía với tốc độ âm thanh.

• Bay chậm hơn âm thanh: các gợn chạy trước mũi máy bay, như báo trước cho không khí phía trước dạt ra. Người dưới đất nghe tiếng động cơ tăng dần rồi nhỏ dần.
• Bay đúng bằng âm thanh: các gợn không chạy thoát khỏi mũi được nữa, dồn chồng lên nhau thành một bức tường áp suất ngay trước mũi. Đây là nguồn gốc cái tên "bức tường âm thanh": thập niên 1940, nhiều máy bay rung lắc dữ dội, mất điều khiển khi tới gần tốc độ này, nên giới hàng không từng nghi đó là một giới hạn không vượt qua được.
• Bay nhanh hơn âm thanh: vật bỏ lại các gợn phía sau. Mép ngoài của chúng ghép lại thành một mặt nón, đỉnh nón ở mũi máy bay. Trên mặt nón ấy, áp suất nhảy vọt đột ngột: đó là sóng xung kích.

Góc mở của chiếc nón tính được bằng một công thức gọn: sin của nửa góc nón bằng 1 chia số Mach. Ở Mach 2, nửa góc nón là 30 độ; càng bay nhanh, nón càng nhọn và ép sát thân máy bay.

Vì sao người dưới đất nghe "đùng đùng" hai tiếng

Một máy bay siêu thanh thật ra kéo theo nhiều sóng xung kích: ở mũi, ở mép cánh, ở đuôi. Đi xa xuống tới mặt đất, chúng gộp lại thành hai sóng chính: một sóng ở mũi làm áp suất tăng vọt, rồi áp suất tụt dần xuống dưới mức bình thường, rồi sóng ở đuôi đưa nó trở lại. Vẽ lên giấy, đồ thị áp suất trông giống chữ N, nên giới kỹ thuật gọi là "sóng chữ N".

Hai lần áp suất nhảy đột ngột là hai tiếng nổ. Với máy bay dài, hai tiếng cách nhau vài phần mười giây và nghe rõ "đùng đùng". Với vật nhỏ, hai tiếng gần nhau tới mức tai chỉ nghe một tiếng. Người dân Florida từng quen tiếng "đùng đùng" kép khi tàu con thoi trở về bãi đáp ở Mũi Canaveral.

Dải đất bị "trải thảm"

Vì nón sóng di chuyển cùng máy bay, nó quét lên mặt đất một dải dài suốt chặng bay siêu thanh, rộng tới hàng chục kilômét tuỳ độ cao và tốc độ. Người ở đầu dải nghe trước, người ở cuối dải nghe sau, mỗi người nghe đúng một lần. Đó là lý do người dưới đất thường tưởng máy bay "vừa phá bức tường âm thanh ngay trên đầu mình", trong khi thực ra nó đã siêu thanh từ lâu.

Các mốc đáng nhớ

Những tiếng nổ siêu thanh không cần máy bay

Tiếng roi quất

Tiếng "chát" của chiếc roi da dài khi quất mạnh từ lâu đã được giải thích là tiếng nổ siêu thanh thu nhỏ. Khi người quất vung tay, một vòng cong chạy dọc thân roi về phía ngọn. Ngọn roi càng nhỏ, nhẹ, vòng cong càng tăng tốc, như sóng biển dồn lên cao khi vào chỗ nước nông. Các phép chụp tốc độ cao cho thấy phần ngọn đạt tốc độ vượt âm thanh. Một nghiên cứu năm 2002 còn chỉ ra tiếng chát sinh ra ở chính vòng cong ấy khi nó vượt tốc độ âm thanh, chứ không hẳn ở đầu mút. Roi là một trong những vật đầu tiên con người làm ra mà đi nhanh hơn âm thanh, từ rất lâu trước máy bay.

Thiên thạch

Thiên thạch lao vào khí quyển với tốc độ hàng chục kilômét mỗi giây, gấp nhiều chục lần tốc độ âm thanh. Sáng 15/2/2013, một thiên thạch nổ tung trên bầu trời Chelyabinsk (Nga). Ánh chớp đến trước, rồi phải khoảng một đến hai phút sau, tuỳ nơi, sóng xung kích mới ập xuống, làm vỡ kính cửa sổ của hàng nghìn toà nhà. Nhiều người bị thương vì đã chạy tới cửa sổ nhìn ánh sáng lạ đúng lúc sóng ập tới. Đây là ví dụ rất rõ của nguyên lý "thấy trước, nghe sau".

Sấm

Sấm có họ hàng gần với tiếng nổ siêu thanh: không khí quanh tia sét giãn nở nhanh hơn âm thanh, tạo sóng xung kích ở khoảng cách gần. Nhưng sấm không do vật nào bay cả; nó do không khí bị nung nóng đột ngột.

Đám mây quanh máy bay: hiểu nhầm phổ biến

Những tấm ảnh chụp máy bay phản lực bị bao quanh bởi một đám mây trắng hình chiếc nón thường được chú thích là "khoảnh khắc phá bức tường âm thanh". Điều đó không đúng hẳn. Đám mây hình thành khi máy bay bay nhanh trong không khí ẩm: ở một số vùng quanh thân, áp suất và nhiệt độ tụt xuống đủ để hơi nước ngưng tụ trong chốc lát. Hiện tượng hay gặp khi máy bay bay gần tốc độ âm thanh, có thể ở dưới hoặc trên Mach 1 một chút. Thấy mây chưa chắc đã siêu thanh, và bay siêu thanh trong không khí khô thì không có mây.

Thí nghiệm tại nhà: nhìn thấy "nón sóng" trong chậu nước

Không cần máy bay, bạn vẫn thấy được hình dạng nón sóng bằng một chậu nước nông:

1. Đổ nước vào khay hoặc chậu rộng, sâu khoảng 1–2 cm, để yên cho mặt nước phẳng.
2. Chấm nhẹ đầu ngón tay một chỗ: vòng sóng lan đều ra mọi phía. Đó là âm thanh phát ra từ một vật đứng yên.
3. Kéo ngón tay thật chậm trên mặt nước: các vòng sóng dồn dày phía trước, thưa phía sau.
4. Kéo nhanh dần: tới một lúc, ngón tay chạy nhanh hơn gợn sóng, và sau ngón tay hiện ra hình chữ V rõ nét. Kéo càng nhanh, chữ V càng hẹp.

Chữ V trên mặt nước chính là lát cắt hai chiều của chiếc nón sóng xung kích. Sóng nước có tính chất phức tạp hơn sóng âm, nên đây chỉ là phép so sánh, nhưng nó cho thấy rất trực quan vì sao vật bay nhanh hơn sóng của chính nó lại để lại một "mép" sóng dồn nén.

Góc nhìn hôm nay: bay siêu thanh mà không làm phiền ai

Sau khi Concorde nghỉ hưu năm 2003, bầu trời không còn máy bay chở khách siêu thanh. Rào cản lớn nhất không phải động cơ, mà là tiếng nổ: không nước nào muốn hàng triệu người bị giật mình mỗi ngày. Hướng nghiên cứu hiện nay là "làm nhỏ tiếng nổ" bằng cách thiết kế thân máy bay dài, mảnh, để các sóng xung kích không gộp lại thành hai cú nhảy áp suất đột ngột mà trải ra êm hơn. Chiếc X-59 của NASA được chế tạo để thử điều này và đo phản ứng của dân cư. Một ý tưởng khác là bay ở độ cao và tốc độ sao cho sóng bị các lớp không khí bẻ cong lên trên trước khi chạm đất, gọi là "giới hạn Mach". Muốn tìm hiểu thêm, trang của NASA về dự án X-59 và các tài liệu phổ biến về khí động học siêu thanh là nguồn tốt.