什么是音障?如何突破它?

时间:2023-11-25 03:19:03

你听到过回声吧,它很好地证明了声音在以特定的速度传播。在海平面高度,声音的速度大约是每小时1225公里。一些跑得快的物品,比如喷气式飞机,能赶上声音的速度,造成声音在它的前端堆积,形成所谓的音障,当它继续加速刺破音障时,压力的变化会带来一声爆响。

飞机当然不是唯一能突破音障的物品。说来你也许会奇怪,牛鞭也可以。当挥动的鞭梢划破音障时,会突如其来地发出一声尖锐的声音。

鞭子何以能舞出如此神速呢?秘密在于它的构造。牛鞭底端最粗,尖端最细,呈逐渐收缩状。当高手挥动鞭子,甩出一波鞭浪,自手柄直达鞭梢,由于能量守恒,鞭浪所携的能量聚向鞭梢。但鞭子由粗变细,质量也逐渐减小,当鞭浪传向鞭梢时,更多的能量被转化成动能,造成鞭浪传递得越来越快,待到能量传递到鞭梢时,其速度常常超过了音速,从而发出了一声爆响。

科学事实!围绕着鞭子的爆响,一直有个谜团困惑着人们:当听到鞭声时,鞭梢的速度早已远超音速,甚至已达两倍音速。新的证据显示,发出爆响的不是鞭梢,而是鞭子舞动时形成的鞭环。不过,无论发出的声音到底是什么,那声音都够刺耳的。

当然,牛鞭并不是唯一能“一鸣惊人”的日常物品,比如浴室中的湿浴巾也能勉力为之。如果甩得好,浴巾也能发出惊人的动静,但那是音爆吗?天底下总有些富于探索的学生,对一些无关紧要的小问题刨根问底,而在这个问题上,不仅是学生,连北卡罗来纳科学与数学学院的老师也掺和了进来。

什么是音障?如何突破它?

1993年,他们用每秒1万帧的速度拍摄了浴巾甩舞的图像。这可不是件容易事,好在他们终于捕捉到了毛巾尾部的运动情况,清晰地显示它确实超过了音速!他们知道,光凭这点只说明毛巾达到了基本的速度要求,尚不足证实那声音就是音爆声。于是他们又调整了实验,用声音来控制拍摄的快门,结果发现毛巾尾部最高时速与出现爆响声的时间相吻合。不过,由于还拍摄到了一两下低于音速的毛巾轨迹,这给实验罩上了一丝疑云。研究者对此的分析是:毛巾突破音障的用时比他们设定的拍摄间隔要短。于是他们又缩短了拍摄间隔,最终证明音障的确被突破了。这实验真心很酷,此后好像再没有人重复过了。

兴致所致,我的思绪穿越至1.5亿年前,飞回了恐龙时代。具体讲,我想起了草食雷龙,没错,就是那个长脖子、长尾巴的巨无霸。要是它的尾巴雷霆一甩,那速度定可以突破音障,不知世间还有何物挥舞起来能霸气如此?

雷龙有多巨大呢?它重15~16吨,是三四头非洲象重量的总和;有约20米长,其中尾巴占了一半以上。雷龙的尾巴与牛鞭形状相似,根部很粗,并一路纤细下去直至末端。牛鞭的柄端比尖端粗600倍,雷龙更夸张,臀部连接处有一米粗,持续收缩成线状,差距竟达1300倍。雷龙的每一节椎骨都比前面一节缩小6%,整条尾巴共有80节椎骨,其中前20节占了总重的97%,真是叹为观止!

什么是音障?如何突破它?

什么是音障?如何突破它?

有人认为那条长尾乃是防身的利器,也有人觉得那应该是用于交配的招牌。微软公司的前技术总裁内森·梅尔沃德(Nathan Myhrvold)以及阿尔伯塔大学古生物学家菲尔·柯里(Phil Currie),对雷龙尾巴的奇特尺寸与形状颇感兴趣,开展了深入探究。他们猜想:这么奇特的一条长尾巴,如果雷龙挥动起来,是否会发出牛鞭般的爆响?

他俩找来一副最为完整的雷龙骨骼,又在必要的细节处补充了一些其他骨骼,重新建构一条在长度、重量、灵活性方面颇为逼真的雷龙尾巴。他们断定这条尾巴可以像牛鞭那样甩出足够快的纵向波。另外,他们还发现了一些令人振奋的细节,比如两块椎骨间留有空隙,说明其间可能存在软骨垫,有助于尾巴的挥动。另外,从椎骨的排列与支撑组织的结构来看,雷龙尾巴似应横向甩动而非纵向。

假如雷龙甩动尾巴,尾根处的起始速度为每秒2米,则传递到尾尖时,速度已超过了音速,并且所需的能量比其步行还少!考虑到雷龙的臀部及后腿所占体重超过70%,哪怕轻轻跺上一脚,便能令尾巴甩起来。要是恐龙尾巴突破了音障,那么声音会怎样呢?经梅尔沃德计算,音量可达200分贝,足够吓退霸王龙。

梅尔沃德和柯里的理论受到了一些质疑。为了回应质疑,梅尔沃德搭建了后肢及尾巴的复制模型,大小为雷龙的1/4,重20公斤,长度3.5米,由钢、橡胶、铝、特氟隆制成82块椎骨,完全比照雷龙尾巴的构造。当你转动曲柄晃动尾巴时,它的尾尖突破了音障,发出了洪亮的爆音。由此表明,1亿5千万年前的恐龙很有可能突破音障。看来,梅尔沃德和柯里所谓的“超声蜥脚龙”果然不是吹牛。

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