Met een knal door de geluidsbarrière

Een F/A-18 van de US Navy vliegt sneller dan de geluidssnelheid. De witte wolk wordt gevormd door een verlaagde luchtdruk en dalende temperatuur rond de staart van het vliegtuig.  beeld Wikimedia, John Gay/U.S. Navy
2

Als het aan vliegtuigbouwers ligt, vliegen we over een paar jaar sneller dan het geluid. Dat gaat niet zonder slag of stoot, want toestellen die door de geluidsbarrière breken produceren vooralsnog een luide knal, waar mensen op de grond niet blij van worden.

Op het moment dat wij bewegen drukken we, zonder dat we daar erg in hebben, de lucht om ons heen opzij. Als de lucht zichtbaar was geweest, dan hadden we kunnen zien dat die zich verspreidt in cirkelvormige golven, precies zoals de kringen die op het water verschijnen zodra je er een steen in gooit.

Hoe sneller iemand door de lucht beweegt, hoe kleiner de afstand tussen de cirkels. Logischerwijs komt er een moment waarbij er geen afstand meer is tussen de cirkels; die smelten dan samen tot een kegel. Dat gebeurt op zeeniveau bij een snelheid van 343 meter per seconde, oftewel 1235 kilometer per uur: de geluidsbarrière.

Moleculen

Een vliegtuig dat sneller vliegt dan de geluidsbarrière gaat dus harder dan de geluidsgolven die het door de eigen beweging veroorzaakt. Tot de geluidsbarrière kunnen de moleculen rond het vliegtuig nog op tijd anticiperen op de geluidsgolven en zich er op tijd naar schikken. Daardoor passeren ze de neus en de vleugels soepel.

Maar als de snelheid zo hoog is dat de moleculen geen tijd hebben zich te herschikken –wat gebeurt boven een bepaalde snelheid– wordt de lucht plotseling doorboord door de punt van het vliegtuig. De weerstand van de lucht gaat met een schok omhoog. Het vliegtuig zendt de geluidsgolven nu pas uit nadát het dat bepaalde punt is gepasseerd. Achter het toestel vormen ze een kegel van cirkelvormige geluidsgolven.

Schokgolf

Op de punten waar de cirkelvormige geluidsgolven elkaar raken, ontstaat een schokgolf: de lucht wordt er samengedrukt. Iemand die dat van een afstandje gadeslaat zal eerst niets horen, maar wanneer het vliegtuig voorbijgaat, komen alle geluidsgolven tegelijkertijd op hem af. Omdat daartussen geen afstand meer bestaat, klinken ze als één gigantische knal.

Overigens is het om de geluidsbarrière te ‘beleven’ niet nodig buiten te wachten tot een supersonisch vliegtuig volgas komt overvliegen. Pak een lang koord en zwiep ermee als een zweep. De knal die je hoort, wordt veroorzaakt door het uiteinde van het touw, dat sneller beweegt dan het geluid.

Mach

De snelheid van geluid wordt aangegeven in de eenheid mach, genoemd naar de Oostenrijkse natuurkundige Ernst Mach (1838-1916). Het machgetal wordt berekend op basis van de verhouding tussen de snelheid van een object ten opzichte van de materie waarin het beweegt en de lokale snelheid van het geluid in diezelfde materie.

Mach 1 staat gelijk aan de geluidsbarrière op basis van al die factoren. Een vliegtuig dat langzamer dan de geluidsbarrière vliegt, heet subsonisch, tussen mach 1 en mach 5 is het toestel supersonisch en ruimteraketten ten slotte gaan nóg sneller en zijn daarom hypersonisch.

De geluidsbarrière heeft vooral betrekking op de lucht, omdat de mens zich doorgaans door lucht verplaatst. Het is ondenkbaar dat we onszelf in welke andere materie dan ook sneller dan het geluid zouden kunnen verplaatsen (zie ”Lucht is sloom”). Enige uitzondering vormt koolstofdioxide dat van nature in de atmosfeer aanwezig is.

”Chuck” Yeager

Geluid verplaatst zich door koude lucht een stuk langzamer dan door warme lucht. Koude deeltjes bewegen nu eenmaal minder snel, waardoor ze minder trillingen doorgeven. Omdat het hoog in de lucht niet alleen kouder is, maar de atmosfeer bovendien minder luchtdeeltjes bevat die de geluidsgolven kunnen dragen, gaat het geluid aanzienlijk minder hard dan net boven het aardoppervlak.

De geluidsbarrière wordt op grotere hoogte een stuk sneller bereikt. De eerste mens die sneller dan het geluid ging, was de Amerikaan Charles Elwood (”Chuck”) Yeager in 1947. Hij hoefde daarvoor op 13 kilometer hoogte ‘maar’ 1078 kilometer per uur te vliegen. Had deze piloot op dat moment op zeeniveau gevlogen, dan had hij de geluidsmuur pas bij ongeveer 1225 kilometer per uur doorbroken.

Schermafbeelding_2020-09-01_om_13.41.27Snelheidsrecords op een rij

Vijf keer de geluidssnelheid

Vliegen er over een paar jaar toestellen met vijf keer de geluidssnelheid (mach 5) de wereld over? Als het aan vliegtuigbouwers Boeing en Lockheed Martin ligt wel.

Beide fabrikanten zijn bezig met een wedloop om een hypersonisch toestel te ontwikkelen dat 6200 kilometer per uur moet gaan. Zo’n vliegtuig zou in 6,5 uur rond de aarde kunnen vliegen.

Het supervliegtuig, dat nog geen naam heeft, zal voor militaire doeleinden worden ingezet en moet de opvolger worden van de Lockheed SR-71 Blackbird, die een topsnelheid had van 3,2 keer de geluidssnelheid.

Lucht is sloom

De beroemde Engelse wetenschapper Isaac Newton (1643-1727) ontdekte dat de snelheid van geluid afhangt van de dichtheid en de mate van ‘samendrukbaarheid’ (compressibiliteit) van de materie waar doorheen de golven zich verplaatsen. Omdat de luchtdruk overal weer anders is en de dichtheid van bijvoorbeeld water verschilt van die van lucht, zijn er heel veel geluidssnelheden.

n Lucht geleidt geluid met gemiddeld 343 meter per seconde (m/s). Dat is vergeleken met andere stoffen best langzaam.

n Water: ongeveer 1500 m/s. Hier geldt, net als bij lucht, dat hoe hoger de temperatuur van het water is, hoe hoger de geluidssnelheid. Ook andere factoren, zoals een hoger zoutgehalte, dragen bij aan een hogere snelheid.

n Glas: meer dan 4000 m/s

n IJzer: meer dan 5000 m/s

n Helium: 965 m/s

n Koolstofdioxide: 259 m/s