近幾年來在廣場上經常可以見到一些玩甩鞭子健身的人,男女老少都有。一根三四米長的鞭子被大叔大媽揮舞起來之後會時不時地發出非常響亮的“啪啪”聲,上百米外也能聽得清清楚楚。這種鞭子被稱作響鞭,響鞭發出的啪啪聲不同於揮動普通棍子或鞭子時發出的聲音,不知道的還以爲大叔大媽練出了什麼神功,或者以爲那鞭子一定有什麼神奇。

大叔大媽沒有什麼神功,響鞭也沒有什麼神奇。連大叔大媽都能把那鞭子甩得啪啪響,一個普通人也能做得到。鞭子能夠發出響亮的“啪啪”聲是因爲鞭子末端的速度超過了聲速,超過聲速後發出了音爆聲。

響鞭末端的速度超過了音速,乍一聽有些不可思議,其實這與響鞭的結構有關。響鞭的長度一般在三四米附近,較騎馬放羊時揮動的鞭子要長很多,鞭子長了末端的速度就可以變大一些。更關鍵的是,響鞭在鞭把附近比較粗,越靠近鞭梢就變得越細。揮動鞭子時,人釋放的能量沿着鞭子向前傳播。鞭子越來越細,能量在沿着鞭子向前傳播時就會集中在越來越小的質量上,這樣鞭梢的速度就會比較大。對於響鞭來說,末端的速度超過音速是很簡單的事情,達到二倍音速也不是困難的事情。

鞭子可謂是人類製造的第一種能夠超過音速的物體,飛機也是一種比較常見的能夠超過音速的人造物體。有時候在家裏突然聽到天空傳來炸雷般的響聲,可天氣還是一片晴朗,原來是超音速飛行的飛機在作怪。

聲波是機械波,在介質中傳播時依靠的是介質的密度振盪變化,聲音在空氣中的傳播速度大約是340米每秒,這也是空氣的密度振盪變化的傳播速度。飛機飛行時,自身的運動也能向前推動空氣,使得前端的空氣被壓縮。當飛機的速度超過音速時,由飛機推動空氣引起的空氣密度變大就不能比飛機更快地向前傳播,使得飛機的前端有一層被壓縮的密度很大的空氣,這層壓縮層內聚積了很多能量。壓縮層周圍的普通空氣不論是密度還是溫度都要小於壓縮層,這樣壓縮層就會將能量釋放給普通空氣層,其中很多能量以聲音的形式釋放了出來,於是就有了響聲很大的音爆。

壓縮氣體可以使氣體液化。壓縮層形成的過程中由於內部的壓強足夠大,可以使空氣中的水蒸氣液化爲小水滴,這樣就能夠在飛機旁邊形成音爆雲。音爆雲和戰機在一起構成了一幅美麗的畫面。戰機的超音速美,戰機周圍音爆雲的美,都是科學之美的體現。

相關文章