赛博圣诞老人飞过天空时会震爆电子驯鹿的传感器吗？

来源：中国物理学会期刊网

不知不觉2020年马上接近100%，不少地方都挂起了漂亮的小彩灯准备迎接新的一年。

圣诞节作为西方孩子们充满期待的一个节日，也是一个送礼物热潮期。虽然知道圣诞老人是一个像孙悟空一样的虚构人物，但我仍然好奇圣诞老人是怎么发放礼物的？

如果圣诞老人只给18岁及以下的小朋友送礼物，根据国家统计局第六次人口普查资料，0-18岁人口约3亿，我国陆地面积约960万平方千米，假设圣诞老人仅在中国地区工作24小时，并且3亿个小伙伴均匀地分布在我国陆地上，那么圣诞老人需要在1/3472秒内从一个孩子跑到下一个小孩那里，且他的平均速度估算为：

大约是光速的千分之二、声速的两千倍，而圣诞老人要以如此高的速率运动，除了需要非常强大的电子驯鹿之外，还会产生不少有趣的物理现象，比如“音爆”。大家可能单从这个物理现象的名字看，就能感觉到它具有不小的威力。

实际上，音爆现象在我们的日常生活中也很常见。想必大家见过甩皮鞭吧？拿一根稍长的，尾部质地较软的绳子用力地向下一挥，每一鞭甩出去后，都能听到清脆且响亮的“啪”一声，其实这就是音爆现象。正常情况下，鞭子的振动并不会发出那么大的声音，能发出那么大的声音是因为鞭子的尾部运动速率非常快，达到了超音速，而每一次甩鞭，都是鞭子尾端在超过声速时产生的一次小小的“音爆”。厉害吧，可不要小瞧了手里的小皮鞭，我们随时就能用它制造出超音速的效果。

什么是音爆

那么到底什么是音爆呢？

我们知道，不管是什么物体在空气中运动总会受到阻力，这个阻力会使物体受到扰动，特别是当速度接近声速（空气中声速在1个标准大气压和15℃的条件下约为340 m/s）的时候，这个阻力会陡增，使物体产生强烈的震荡，速度衰减，如同一个无形的屏障一般，我们称其为“音障”。然而，如果我们给这个物体施加足够强大的推进力，让它达到超音速冲破这个音障的时候，就会产生一个强大的冲击波，我们的耳朵也会听到“啪”的爆炸声，这就是形成了音爆。

因此，简单来说，音爆就是物体在空气中运动超过声速时产生的巨大冲击波造成的响声。通常威力巨大的音爆现象是由超音速战斗机或者其他超音速飞行器跨音速飞行时产生的。事实上，人类第一次突破音障产生音爆也是通过飞机完成的。

1947年10月14日，美国人查尔斯·耶格尔（Charles E。 Yeager），驾驶一架贝尔XS-1型火箭发动机飞机“迷人的格伦尼斯号”（Glamorous Glennis），以1.015马赫（1078.23千米/小时）的速度飞越了加利福尼亚州的爱德华兹空军基地，伴随着空中的一团云雾和一声巨响，这是人类第一次突破音障，这个飞行员也是第一个将声音抛在后面的人。

音爆产生的原理

那么音爆到底是怎么产生的呢？

就如同将石子扔进湖中，水面形成的一圈圈波纹一样，物体在空气中运动会对空气造成挤压，产生扰动，形成波。

事实上，声音在空气中的传播就是通过波实现的，我们可以将声波想象成从一个小圆点（声源），向四面八方发出的一个个圆，每个圆就代表声音在空气中的“波浪”。

当声源不动的时候，其产生的声波就是一个个的同心圆，而当声源开始运动，我们会发现在运动方向的前方的声波圆之间距离会变得接近，我们接受到的声音的频率会变高，这就是多普勒效应，这也是为什么在马路上向你迎面驶来的车的轰鸣声会变得尖锐的原因。

当飞机运动的速度接近声速的时候，它便可以追上自己所发出的声波——前一个时刻发出的声波圈传播到一个位置，飞机也差不多运动到这个位置了，因此这些声波圈会挤压在一起。速度越接近声速，这些声波圈就会挤压得越靠近，形成激波面，当飞机达到并超过声速时，其对空气造成的压缩无法及时传播出去，逐渐在飞机前面压缩累积，形成一道无形的墙，飞机在突破这道墙的时候，声波的能量在飞机头部高度集中，这些能量传到人耳的时候我们就能听见短暂而强烈的爆炸声，这就产生了音爆。

通过以下的图我们能更加直观地体会到音爆产生的原理，在飞机的头部，空气的压强激增，经过激波面之后，压强降低，并在飞机尾部迅速地回升至正常的压强，压强的变化呈现一个N字形，因此也叫做N形波。当空气的压强急剧变化的时候便会产生音爆，因此飞机在超音速飞行的时候，我们应该能感受到两次音爆，第一次是机头前方空气被剧烈压缩，压强激增造成的，第二次是空气在机尾压强突然回升到正常值导致的。这两次音爆的强度基本相同。

音爆云的产生

前文中也提到，当飞机高速运动突破音障时，不仅可能出现音爆现象，还可能在飞机尾部出现锥形的云雾，看起来就好像给飞机穿上了白色的斗篷，但马上又会消失得无影无踪，这也就是所谓的音爆云（学名为Prandtl-Glauert condensation clouds，普朗特-格劳厄脱凝结云）。

那么音爆云又是如何产生的呢？其实，在飞机超音速运动的时候，与飞机头部形成激波的原理恰好相反，在飞机的尾部，空气的流速会短暂地出现跟不上飞机运动的情况，产生一种稀疏效应，正如前文压力分布的图中所描述的那样，机尾附近的压强会低于周边压强。

这种稀疏效应会导致空气短暂地降温冷却，如果大气的湿度与温度适宜的话，空气中的水蒸气就有可能因为这个短暂的冷却而凝结成小水滴，在机尾的部分形成凝结云。但是，这种凝结云的出现时间比较短暂，一般只有几秒钟的时间，当压强恢复到正常的时候，马上就会消失得无影无踪。

值得注意的是，虽然我们称这种凝结云为音爆云，但它的出现并不需要超音速，当大气的湿度很高，且大气温度在水的凝结点附近时，飞机不需要达到超音速也可能披上这白色的斗篷。

音爆声会震聋驯鹿的耳朵吗？

“音爆”的强弱及其对地面影响的大小与飞机飞行高度有着直接的关系，因为激波造成的音爆的强度会随着传播距离的变远而减弱。当飞机作低空超音速起降或者飞行时，地面的人们会听到震耳欲聋的巨响，影响生活和工作，严重的甚至还可以震碎玻璃，损坏不坚固的建筑物，造成直接的经济损失。正因为音爆会产生强大的能量，不少地区对超音速飞机横越地面飞行设下严格限制。

不过飞机内部的飞行员并不会听到音爆。超音速飞行后，飞行员反而会觉得周围安静很多，因为飞机的速度已经超过了音速，外部产生的声音都被抛在了飞机后面。飞行员只能听到飞机本身发出的声音，其他的声音一点都听不见。因此如果驯鹿在某个特殊屏障内突破音障，并不会有什么特别的感觉。