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Fast jedem Jugendlichen ist heute bekannt – nicht zuletzt durch
Kinofilme und Fernsehserien -, dass bei dem Durchbruch der Schallmauer
ein scharfer Knall entsteht. Dass aber die Spitze einer Peitsche
Überschallgeschwindigkeit erreicht, vermag sich kaum jemand vorzustellen.
Seit den Anfängen der Luftfahrt blieb die Schallmauer eine unüberwindbare
Grenze für jedes Luftfahrzeug, auch wenn sie in der Theorie als
bezwingbar galt. Während des zweiten Weltkrieges kamen einige Flugzeuge
(Messerschmitt Me-163 oder die Lockheed "Lightning") nah
an die Schallgrenze heran, konnten diese aber nicht durchbrechen,
weil sich das Flugverhalten extrem verschlechterte. Schnell erkante
man die Ursache dafür: Bei einer Geschwindigkeit an der Grenze der
Schallmauer verändert sich die Luftströmung am Flugzeug, weil sich
die Luft vor dem Flugzeug staut. Die älteren Flugzeuge waren dafür
nicht konstruiert, um dieses Problem der Aerodynamik zu lösen. Erst
1947 bekam man die physikalischen Verhältnisse der veränderten Luftströmungen
in Griff und hat mit dem Raketenflugzeug Bell X-1 die Schallmauer
durchbrochen.
Die Mechanik einer durch einen Seil laufenden Welle beruht auf
dem Prinzip der Lagrange'sche Bewegungsgleichung. Die kinetische
Energie beschleunigt das freie Seilende in Bruchteilen einer Sekunde
auf die Schallgeschwindigkeit und darüber. So entsteht der charakteristische
Peitschenknall.
Die Überschallgeschwindigkeit bleibt nicht nur den Düsenjägern,
Gewehrkugeln und der Peitsche vorbehalten; auch beim Hubschrauber,
kurz bevor er aufzusteigen beginnt, hört man spezifisches Knattern,
wenn die Enden der Rotorblätter Schallgeschwindigkeit erreicht und
überschritten haben.
Dennoch lässt die Beschleunigung der Peitschenspitze die meisten
Geschosse moderner Handfeuerwaffen hinter sich; in nur 0,0026 s
erreicht sie eine Geschwindigkeit von Mach 2!
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| Die visuelle Grafik des Geschwindigkeitsverlaufs
eines Peitschenhiebs |
Reflexion einer Welle am freien
Ende [1] |
Der "Wolkenscheibeneffekt"
beim Durchbrechen der Schallmauer entsteht dadurch, dass die
Schallwellen den Wasserdampf der Luft zur Kondensation bringen.[2] |
Der Überschallknall als Java-Applet.
Quellen:
[1]
Physik-Web für die Kollegstufe K12 und K13
[2]
www.g-o.de
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