Vì sao khi bay với tốc độ siêu thanh, máy bay lại phát ra tiếng nổ to như sấm?

Âm thanh là một loại sóng. Trong quá trình truyền lan của sóng âm thanh, giữa không khí đã bị xáo động và không khí chưa bị xáo động có một mặt phân cách, mà chúng ta gọi là mặt đầu sóng. Nếu nguồn âm thanh đứng yên thì mặt đầu sóng là một mặt cầu toả ra phía ngoài, mặt cắt thẳng đứng của nó là một hình tròn. Nếu nguồn âm thanh chuyển động, và tốc độ chuyển động của nó vượt quá tốc độ âm thanh, mặc dù ở mỗi thời điểm nguồn âm thanh vẫn phát sóng hình tròn ra ngoài, nhưng những sóng hình tròn đó lại tụ tập thành mặt đầu sóng hình đường thẳng, cũng có nghĩa là mặt đầu sóng không còn là hình tròn nữa. Khi ấy sẽ sinh ra hiện tượng âm học dị thường, gọi là tiếng nổ âm thanh.

Khi máy bay bay với tốc độ siêu thanh, tại các nơi như đầu, cánh, đuôi máy bay, v.v. đều có thể làm cho không khí xung quanh sinh ra sự biến đổi áp suất đột ngột, sinh ra sóng xung kích trước và sóng xung kích sau rất mạnh. Cường độ của hai loại sóng này đều rất lớn. Khi sóng xung kích trước đi qua, áp suất không khí đột nhiên tăng cao, sau đó áp suất ổn định lại và hạ thấp, đến mức thấp hơn áp suất khí quyển. Tiếp đến, khi sóng xung kích sau đi qua, áp suất lại đột nhiên tăng lên và dần dần khôi phục đến áp suất khí quyển. Quãng cách thời gian đi qua của hai sóng xung kích trước và sau khoảng 0,12 – 0,22 giây. Nếu độ cao bay của máy bay không lớn lắm, trong khoảnh khắc khi sóng xung kích đi qua, ta có thể nghe thấy như tiếng sấm giữa trời quang hoặc như tiếng đạn đại bác nổ. Đó là tiếng nổ âm thanh do máy bay khi bay với tốc độ siêu âm sinh ra. Vì có hai sóng xung kích trước và sau, nên chúng ta có thể nghe thấy hai tiếng nổ âm thanh đanh gọn mà dữ dội.

Tiếng nổ âm thanh có quan hệ với độ cao và tốc độ bay. Cùng một tốc độ bay, độ cao bay càng thấp, ảnh hưởng của sóng xung kích đối với mặt đất càng mạnh, và ngược lại thì yếu. Cũng như vậy, ở độ cao như nhau, tốc độ bay càng nhanh, sóng xung kích càng mạnh, và ngược lại thì nhỏ. Nếu bay với tốc độ siêu thanh ở độ cao thấp, tiếng nổ âm thanh sinh ra thậm chí có thể đánh sập công trình kiến trúc. Vì vậy, trong tình hình chung, máy bay bay với tốc độ siêu thanh không được thấp quá độ cao quy định. Làm như vậy mới có thể giảm yếu ảnh hưởng đối với mặt đất.

Từ khóa: Máy bay siêu thanh; Mặt đầu sóng; Tiếng nổ âm thanh.