Fisika Jatuh Bebas Supersonik dan Perlombaan untuk Membangun Concorde yang Lebih Tenang

Jika Anda ingin membangun roket dengan desain baru yang berani, Anda harus memiliki cara untuk menguji integritas strukturalnya tanpa memasang mesin. Anda tidak memiliki terowongan angin, tetapi Anda belum siap untuk menyerah. Anda berpikir sendiri, “Apa itu penerbangan tanpa daya?” Kemudian Anda menjawab pertanyaan Anda sendiri: “Jatuh.” Sederhananya, cara termudah untuk terbang tanpa meluncurkan adalah dengan jatuh. Ambil prototipe dengan sangat tinggi, jatuhkan, dan Anda akan merasakan kinerjanya dengan cepat.

Praktisi terdepan di dunia dalam seni menjatuhkan presisi adalah Japan Aerospace Exploration Agency, atau JAXA, yang pada dasarnya adalah versi Jepang dari NASA. Agensi sedang berusaha membangun pesawat supersonik praktis, yang bukan hal yang mudah. Upaya serupa di masa lalu menciptakan produk-produk biasa-biasa saja, yang paling terkenal adalah Concorde.

Concorde terganggu dengan masalah yang membuat pesawat lain tidak dapat mengadopsi jenis desain yang sama untuk pesawat mereka sendiri. Salah satu masalah terbesar adalah kebisingan berlebih. Istilah "sonic boom" bukanlah istilah yang salah - memecah penghalang suara adalah fenomena yang sangat keras. Pabrikan harus merancang pesawat untuk mencegah penumpang meledak, dan pesawat tidak bisa menerbangkan pesawat ke darat karena tidak ada manusia di darat yang ingin mengalami suara yang sangat keras. Tujuan JAXA adalah membuat pesawat penumpang supersonik yang lebih tenang. Dan pengujiannya melalui drop test dengan model eksperimental di Swedia.

Bagaimana cara kerjanya? Pada dasarnya, sebuah balon mengangkat pesawat model tak berawak - Silent SuperSonic Concept Model JAXA sekitar 18,6 mil di udara, dan dengan mudah menjatuhkannya. Sensor yang terpasang pada pesawat mengukur gelombang kejut saat pesawat mendekati kecepatan hingga Mach 1,39 saat jatuh bebas.

Fisika dari jatuh bebas supersonik tidak jauh berbeda dari bagaimana suatu objek bergerak lebih cepat daripada suara pada bidang horizontal beroperasi. Udara terkompresi dengan kuat di depan pesawat, yang membanjiri gelombang tekanan tinggi ke segala arah. Gelombang kejut ini mulai merambat di udara tetapi semakin lemah saat bergerak lebih jauh, menjadi gelombang suara dalam proses tersebut. Ini adalah ledakan keras yang kita dengar dan sebut ledakan sonik.

Untuk memahami apa yang istimewa tentang kejatuhan bebas supersonik, kita harus melihat lebih dekat pada apa yang dimaksud angka-angka Mach: rasio antara kecepatan objek dengan kecepatan suara di tempat tertentu. Dan kecepatan suara tunduk pada perubahan suhu dan tekanan - pada ketinggian yang lebih tinggi, kecepatan suara menurun, sehingga suatu objek tidak perlu melakukan perjalanan dengan kecepatan yang sama untuk mencapai Mach 1 selusin mil di udara seperti itu tidak di permukaan laut. (Kecepatan suara di permukaan laut sekitar 760 mil per jam).

Selain itu, Mach 1 adalah lingkungan yang sangat tidak stabil karena gelombang kejut yang diciptakan oleh pemecah penghalang suara. Bahkan gerakan kecil dapat memiliki efek fisik yang sangat kuat pada objek. Tempat terburuk untuk menjadi pada dasarnya adalah antara Mach 0,9 dan 1,2.

Jadi ketika suatu benda bergerak dengan kecepatan supersonik saat jatuh bebas, benda itu berada dalam posisi tidak biasa untuk berakselerasi lebih cepat sementara jumlah Machnya meningkat pada kecepatan yang lebih lambat. Lebih banyak waktu dihabiskan di zona Mach yang tidak stabil daripada jika bergerak di bidang horizontal. Sebagian besar pesawat dirancang untuk bergerak melewati Mach 1 dan memasuki zona aman secepat mungkin. Anda tidak dapat menguji sesuatu seperti itu dalam percobaan jatuh bebas.

Kecepatan juga puncak karena hambatan. Inilah yang terjadi pada contoh objek paling terkenal yang bergerak lebih cepat daripada suara dengan gravitasi: lompatan Felix Baumgartner pada 2012 dari sekitar 23 mil di udara, untuk menjadi penyelam langit pertama yang memecahkan penghalang suara tanpa menggunakan sebuah pesawat terbang. Ketika Baumgartner jatuh ke Bumi, ia akhirnya berhenti berakselerasi karena tabrakan dengan molekul udara, menciptakan 'gaya seret' yang dibangun sebagai hambatan udara hingga menjadi sama dan berlawanan dengan gaya gravitasi. Pada titik ini, Baumgartner telah mencapai kecepatan maksimum.

Bahkan, sementara sebagian besar objek yang mencapai kecepatan terminal hanya akan tetap pada kecepatan konstan, Baumgartner sebenarnya mulai melambat, karena atmosfer di sekitarnya mulai menjadi lebih tebal dan lebih tebal ketika objek jatuh bebas bergerak ke bawah. Jadi kecepatan terminal mulai berkurang - artinya Baumgartner mulai melambat juga. Hal yang sama mungkin akan terjadi pada salah satu pesawat Model Konsep Sils SuperSonic yang sedang diuji JAXA.

Ilmu pengetahuan, seperti kebanyakan hal lain dalam hidup, lebih dingin ketika lebih cepat.