Сингулярность Прандтля-Глоерта: удивительный воротничок на реактивном самолете (24 фото)

Это удивительное явление представляет собой облачный конус, образующийся вокруг самолета, летящего на околозвуковой скорости. Известное как сингулярность Прандтля-Глоерта (Prandtl–Glauert), это удивительное явление заставляет поднять брови от удивления. Но как это происходит?

Фото: Flickr / Marcos Vasconcelos Photography

Фото: Credit Wikimedia

Фото: Flickr / Phoenix

Конус из пара создается не в тот момент, когда нарушается барьер скорости звука. Его появление также часто ассоциируется со звуковым хлопком, что неверно. Реактивные двигатели могут создавать сингулярность на скорости взлета. Это связано с тем, что во входном отверстии двигателя низкое давление, а лопасти винтов работают на околозвуковой скорости, чего нельзя сказать о самом транспортном средстве.

Фото: Flickr / MrBigDog2K

Фото: Flickr / MrBigDog2k

У сингулярности Прандтля–Глоерта есть несколько названий – мы уже называли ее облачным конусом. В числе других названий: ударный воротник, ударное яйцо. Ее даже в шутку называют реактивным самолетом в пачке. Математическая сингулярность в аэродинамике может показаться не самым интересным предметом, но наука, стоящая за сингулярностью, увлекательна.

Фото: Flickr / kbaird

Фото: Wikimedia

Для начала представьте себе объект, который движется с околозвуковой скоростью. Околозвуковая скорость отличается от скорости звука. Звуковой барьер преодолевается на скорости 1235 км/час. Околозвуковая скорость может быть ниже, равной, или выше скорости звука и варьируется от 965-1448 км/час. Таким образом, сингулярность может возникнуть, когда самолет движется со скоростью, меньшей скорости звука, или даже равной или выше звукового барьера.

Фото: Flickr / Soesbeek

Фото: Flickr / dbking

Фото: Flickr / Chockage

Однако для появления конуса звук очень важен – он является одним из двух необходимых условий, сочетание которых делает конус видимым для нас. Форма конуса вызвана источником звука - в случае с реактивным самолетом последний движется быстрее, чем производимые им звуковые волны. Причиной сингулярности является волновая природа звука.

Фото: Wikimedia

Фото: Flickr / Don Solo

Опять же, подумайте о самолете как об источнике волн, а звук – это гребень волны, много волн. Гребни звуковой волны похожи на серию или оболочку, состоящую из перекрывающихся кругов. Когда волны перекрывают друг друга, оболочка образует форму конуса – а его вершина является источником звука. Пока что невидимого. Это ударная волна, но не такая, какой мы ее знаем.

Фото: Flickr / Just Bryan

Фото: Flickr / Just_Bryan

Фото: Flickr / Just_Bryan

Чтобы сингулярность Прандтля-Глауэрта стала видна человеческому глазу, нужно еще одно условие - влажность. Когда влажность достаточно высока, воздух вокруг конуса конденсируется и образует облако, которое мы можем видеть. Как только давление воздуха нормализуется, облако рассеивается. Поэтому сингулярность часто наблюдается на самолетах, летящих над океаном летом – сочетание воды и тепла создает требуемый уровень влажности, достаточно высокий, чтобы сформировать облако.

Фото: Flickr/ Genthar

Фото: Flickr / Genthar

Здесь можно разрушить еще один миф. Некоторые предполагают, что сингулярность Прандтля-Глоерта вызвана сжиганием реактивного топлива. Вас можно понять, если вы полагали, что этот след – странные облака, которые похожи на следы конденсированного водяного пара, производится двигателями самолета. Однако это не так. Водяной пар уже есть – он в воздухе, еще до того, как самолет пройдет сквозь него.

Фото: Wikimedia

Следует также упомянуть о давлении воздуха. Когда самолет движется с околозвуковой скоростью, образующееся вокруг него давление воздуха называется N-волной. Если бы вы могли замедлить ударную волну, вы могли бы увидеть главную составляющую сжатия. Это только начало. Горизонтальная косая черта возникает, когда давление снижается, и нормальное давление окружающей среды формирует последнюю линию N.

Фото: Flickr / seanmcne

Фото: Flickr / Don Solo

Эффект сингулярности не ограничивается реактивными самолетами. Ее часто можно видеть при запуске космических челноков, когда корабль начинает двигаться на околозвуковой скорости. Обычно это происходит примерно через 25 секунд после взлета. Ученые, наблюдавшие ядерные испытания в 1940–х годах, также стали свидетелями сингулярности Прандтля-Глоэрта, хотя и назвали ее облаком Вильсона.

Фото: Wikimedia

Сингулярность названа в честь двух выдающихся ученых, посвятивших себя аэродинамике, которые первыми написали об этом явлении. Людвиг Прандтль (Ludwig Prandtl) (1875 – 1953) - немецкий ученый, известный тем, что разработал математический анализ, лежащий в основе аэродинамики. Герман Глоерт (Hermann Glauert) (1892-1934) - британский специалист по аэродинамике. Он был главным научным сотрудником Королевского авиационного общества (Royal Aircraft Establishment) вплоть до своей смерти в трагической авиакатастрофе в возрасте 41 года.

Фото: Wikimedia

Хотите верьте, хотите нет, но вы сами можете создать сингулярность Прандтля–Глоерта. Вам потребуются две вещи: кнут и влажный день. Если вы можете представить себя Индианой Джонсом и лихо щелкнуть кнутом, то увидите эффект. Когда кнут с треском рассекает воздух, то в том месте, где кончик кнута достигает околозвуковой скорости, образуется заметное облако.