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每日资讯:甩鞭甩出超音速,公园大爷如何掌握甩鞭玄机?

对于鞭子,大家一定不会陌生。它可以用来驱赶牲畜,也可以作为一种武器来使用。而如今,鞭子更是成为了一种健身工具,被人们称之为“响鞭”。

来源|百度百科

响鞭源自河南,是一种风靡民间的健身运动。弯腰,收肩,举臂,一抖手腕,一甩鞭梢,鞭子便会在空中发出“啪”的一声,响彻四周。但你知道吗,大爷们每次甩鞭,竟然可以甩出超音速!?这又是怎么一回事呢?

1. 什么是音爆?

首先,我们需要知道柔软的鞭子是如何在空中发出声音的,这来自于一个奇特的物理现象——“音爆”。“音爆”,如果单独从字面意思上看,是“声音爆炸”,但实际上,要想了解“音爆”,我们还要先知道“音障”是何物。

“音障”,可以简单理解为一道屏障,但这道屏障存在于空气中,用肉眼无法看见的。任何物体(包括声音)在空气中传播时都会受到一定的阻力,物体运动的速度越大,这种阻力就越大,以至于可以在空气中形成一道屏障,阻碍物体的加速前进。

以飞机为例,当飞机速度接近声速时,阻力突然增大,会出现操作失常、自发栽头的现象。同时,飞机的速度也不能再进一步提高。人们曾认为声速就是飞机速度的极限,达到声速后,飞机就面临着一道无形的空气屏障,故称这个现象为“音障”或“声障”。

飞机突破音障

来源|pixabay

当我们朝水里扔一块石头时,水面上就会出现以石头落水点为中心的一圈圈涟漪,声音的传播亦是如此。声音在空气中以波的形式传播,任何声音都是以发声体为中心,一圈一圈不断扩大向四周传播。

声波演示

来源|维基百科


【资料图】

如果发声体固定不动且传声介质是完全均匀的,那声波传递的形式就会是规则的同心圆,但当发声体开始移动并不断加速时,发声体周围的声波就会呈现出一个锥形的立体声波能量场。如果新产生的声波与之前的声波进行叠加,声音也会变得更大。

而如果将适用范围扩大至所有的波(光波、声波、水波等),就形成了著名的多普勒效应。多普勒效应是指物体所发出的波随着物体或观察者的运动而不断变化的现象。在运动的波源前面,波受到压缩,使波长变短,频率变高;反之,波源后的波长会变长,频率会变低。就像一辆车从远处驶来,你听到的声音响度是递增的,这就是声波被压缩、叠加的结果。

多普勒效应

来源|腾讯网

当飞机达到超音速时,作为发音体的飞机已超过了声音的传播速度,周围空气被高度挤压,在突破音障时,大量的能力集中爆发,从而形成了强烈的爆炸声,这就形成了音爆。

音爆成因

来源|《What Is a Sonic Boom_ And How It Breaks Every Rule You Know》

所以人们发现,只要当物体的速度足够快,以至达到超音速后,物体就可以冲过这道屏障。与此同时,物体周围也会产生一个强烈的冲击波,听觉上我们可以听到“啪”的爆炸声,视觉上有时还能看到一团锥形云。

人们第一次发现音爆是在1947年,美国飞行员驾驶着X-1型飞机以每小时1278公里的速度在空中飞行。随着一声巨响和一团云雾,人类第一次突破了音障,而这位飞行员也是人类历史上第一个超越声音的人。

突破音速的美国飞行员

来源|《Chuck Yeager Breaks the Sound Barrier -- X-1 -- 1947》

2. 皮鞭甩出超音速

一根小小的皮鞭,经过一套专业的动作之后,皮鞭的鞭梢部分也会聚集大量的能量,它的速度往往可以达到声速的两倍,这种现象正是“音爆”。

甩鞭

来源|《Smarter Every Day》视频截图

但产生巨响并不仅仅是鞭梢的功劳。近期,科学家通过数学模型分析,发现鞭子甩动过程中会在运动方向上形成环状结构,而这一结构在以音速运动时也可以产生声震。当鞭子环状结构运动速度处于音速时,鞭梢的速度能达到音速的数倍,加大声音的响亮程度。

也许广场上的甩鞭大爷们并不知道,他们竟离超音速如此之近,手中的皮鞭也能够突破音障了,真的是高手在民间呀!不过也正是因为这样,甩鞭子的运动有些危险,运动时一定要留心周围人群和环境。

关键词: 多普勒效应 突破音障 适用范围

责任编辑:Rex_16

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