4/2010

Yliäänipamaus syntyy ääntä nopeammasta liikkeestä

Ilmiö esiintyy ilman lisäksi myös vedessä

Yliäänipamaus on fysikaalinen ilmiö. Se kuullaan esimerkiksi silloin, kun ohitse kulkee yliäänen nopeudella lentävä lentokone. Lentokoneen nopeus on tuolloin siis suurempi kuin äänen nopeus ilmassa. Ilmiötä kutsutaan kansanomaisesti äänivallin rikkoutumiseksi. Periaatteessa äänivalli ei kuitenkaan mitenkään "rikkoudu", vaan suihkukoneen perässä kulkevan kartiomaisen vanan reuna vain kulkee kuulijan ohitse ja hän kuulee pamauksen.

Ääni kulkee paineaaltona ilmassa lähes vakionopeudella, noin 340 metriä sekunnissa eli noin 1200 kilometriä tunnissa. Kova ääni kulkee ilmassa yhtä nopeasti kuin hiljainen. Paineaallon eteneminen riippuu käytännössä vain lämpötilasta, itse asiassa absoluuttisen lämpötilan neliöjuuresta.

Vene kulkee ylipinta-aallonnopeudella

Yliäänipamausta voidaan yksinkertaistetusti havainnollistaa tarkastelemalla pinta-aaltojen etenemistä tyynen järven pinnalla. Jos istut paikallaan olevan laiturin nokassa ja koskettelet varpaankärjelläsi veden pintaa, saat aikaan kosketuskohdasta säteittäisesti erkanevia samankeskisiä ympyräaaltoja. Ne eivät koskaan kosketa toisiaan, vaan etenevät erillisinä rantaan asti. Näiden aaltojen etenemisnopeus on luokkaa 0,5 - 2 metriä sekunnissa eli noin 2 - 7 kilometriä tunnissa.

Mittailimme tänä kesänä tyttäreni kanssa järveen heitetyn kiven molskahduskohdasta lähtevien aaltojen nopeuksia, ja saimme yllättävän tuloksen: pinta-aaltojen nopeus riippuu aallon suuruudesta. Eli mitä isompi kivi, sen nopeammin etenevä aalto. Vuoden 2004 tsunamin mitattiin kulkevan nopeudella 220 metriä sekunnissa eli 800 kilometriä tunnissa.

Koska pinta-aallon etenemisnopeus järven pinnalla on noin pieni, luokkaa metri sekunnissa, lähes jokainen järvellä liikkuva vene ylittää pinta-aallon etenemisnopeuden. Lähes kaikki veneet kulkevat siis "ylipinta-aallonnopeudella". Tällöin, kun istut veneessä, peräkkäisten varpaankärkien (tai airojen) kosketuskohdista erkanevat ympyrät eivät olekaan enää samankeskisiä, vaan ne muodostavat veneen kulkusuuntaan katsottuna kapenevan V-kirjaimen muotoisen keilan. Keilan eturintamassa summautuvat useammanhetkiset peräkkäiset varpaankosketukset, ja siksi keila on niin helppo havaita. Totta kai vene itsekin muodostaa omat kosketuskohtansa ja näin veneen taakse muodostuu aaltokeila, se tavallinen levenevä vana, joka on siis pinta-aallon etenemisnopeuden ylityksestä aiheutunut ilmiö. Tuon keilan eturintamana on veneen tekemä tavallinen aalto, joka rannalla olijalle kertoo aikanaan veneen menneen järvellä ohitse, vaikkei itse paattia näy enää missään. Pinta-aallot kun ovat niin hitaita etenemään.

Pamaus on paineaaltojen summa

Takaisin yliäänipamaukseen. Lentokone on ilmassa, kolmiulotteisessa tilassa. Siksi yliäänilentokoneen taakseen jättämä aaltovana ei ole enää pelkkä kaksiulotteinen keila, vaan koneen perässä leviävä kolmiulotteinen kartio, jonka eturintama veneen aallon lailla jossain vaiheessa tavoittaa sivussa tai alapuolella seisovan kuulijan. Kun tämä aalto hulvahtaa ohi, kuulija kuulee kovan pamauksen. Ääni on kova siksi, että siihen on summautunut useampana hetkenä lähetetyt paineaallot, aivan samoin kuin liikkuvasta veneestä lähetetyille varpaankärkirenkaille käy.

Aerosolifyysikolle tämä yliäänikartio on mielenkiintoinen siksi, että aivan yliäänilentokoneen perässä rintama havaitaan usein ilmankosteuden äkillisestä tiivistymisestä aiheutuvana pisarakartiona, joka tosin haihtuu pois lähes saman tien (googleta vaikka hakusanoilla "sonic boom water condensation").

Yliäänipamauksista aiheutuu äänihaittoja ja jopa ikkunat voivat rikkoutua. Siksi lentokoneille on taajama-alueilla asetettu yleensä kielto lentää yliäänennopeudella. Toki lentokoneelle itselleenkin aiheutuu rasitusta äänennopeuden ylittämisestä.

Kuriositeettina on mainittava, että suihku- tai hävittäjälentokone ei ole ainoa keino yliäänipamauksen aikaansaamiseen. Myös pitkän ruoskan sivaltaessa ilmaan saattaa kärkeä kohti kapenevan ruoskan ympyränkaarenmuotoinen liike summata liikemäärän siten, että ruoskan äärimmäinen kärki kulkee lopulta yliäänennopeudella. Tästä aiheutuu napakka pamaus, johon siihenkin on syynä äänennopeuden ylitys.

 

Kirjoittaja Jyrki Mäkelä toimii TTY:n fysiikan laitoksella termofysiikan luennoitsijana ja tutkii aerosolihiukkasia.

 

Teksti: Jyrki Mäkelä

 

 

Kerro kaverille
Aurinkosähkön läpimurto lähestyy
Aurinkosähkön läpimurto lähestyy
4/2010
Aurinkosähkön läpimurto lähestyy
Ennätysmäärä insinöörejä ja arkkitehteja valmistuu TTY:ltä
Ennätysmäärä insinöörejä ja arkkitehteja valmistuu TTY:ltä
4/2010
Ennätysmäärä insinöörejä ja arkkitehteja valmistuu TTY:ltä
Roistoaallon prototyypin jäljillä
Roistoaallon prototyypin jäljillä
4/2010
Roistoaallon prototyypin jäljillä
CCS-menetelmä antaa jatkoaikaa hiilenpoltolle
CCS-menetelmä antaa jatkoaikaa hiilenpoltolle
4/2010
CCS-menetelmä antaa jatkoaikaa hiilenpoltolle
Pyörällä päästään Euroopassa - miksei Suomessakin?
Pyörällä päästään Euroopassa - miksei Suomessakin?
4/2010
Pyörällä päästään Euroopassa - miksei Suomessakin?
Putkien peruskorjauksen puolesta
Putkien peruskorjauksen puolesta
4/2010
Putkien peruskorjauksen puolesta
Kenian vesihuolto uudistuu TTY:n opeilla
Kenian vesihuolto uudistuu TTY:n opeilla
4/2010
Kenian vesihuolto uudistuu TTY:n opeilla
Professori Sirpa Jalkanen TTY-säätiön hallitukseen
Professori Sirpa Jalkanen TTY-säätiön hallitukseen
4/2010
Professori Sirpa Jalkanen TTY-säätiön hallitukseen
Professorit lahjoittivat TTY:n säätiöpääomaan
Professorit lahjoittivat TTY:n säätiöpääomaan
4/2010
Professorit lahjoittivat TTY:n säätiöpääomaan
Korkea opetuksen laatu ja huippututkimus edellyttävät investointeja
Korkea opetuksen laatu ja huippututkimus edellyttävät investointeja
4/2010
Korkea opetuksen laatu ja huippututkimus edellyttävät investointeja
Tiivistelmä rehtori Kivikosken avajaispuheesta
Tiivistelmä rehtori Kivikosken avajaispuheesta
4/2010
Tiivistelmä rehtori Kivikosken avajaispuheesta
 
4/2010

Tampereen teknillinen yliopisto on teknologisen kehityksen tiennäyttäjä sekä tutkimusmaailman ja elinkeinoelämän yhteistyökumppani. Yliopistosta valmistuu haluttuja osaajia yhteiskunnan eri aloille.

Käyntiosoite:
Korkeakoulunkatu 10,
33720 Tampere

Postiosoite:
PL 527, 33101 Tampere

Puhelinvaihde:
03 311 511
ma–pe kello 8–16.15
kesällä ma–pe 8–15.45

Virallinen sähköpostiosoite:
tty.asiointi@tut.fi