Projektilflygplan överskrider ljudets hastighet
Den 14 oktober 1947 bröts lugnet i Mojaveöknen i USA av en kraftig smäll när den amerikanske testpiloten Chuck Yeager som den första människan någonsin passerade ljudvallen.
Rekordet satte han ombord på Bell X-1, ett raketflygplan som utformats för att efterlikna en patron till ett maskingevär av märke Browning med kaliber .50. Likt en projektil med vingar skar planet genom luften på 13 000 meters höjd i 1 127 kilometer i timmen.
”Jag flög i supersonisk hastighet i 18 sekunder”, skrev Chuck Yeager 40 år efter den historiska bedriften. Termen supersonisk hastighet används när något rör sig snabbare än ljudets hastighet. ”Det kändes inget slag, inget ryck, inga stötar. Och det fanns ingen tegelvägg att flyga in i. Jag överlevde.”
Bell X-1 var ett orange raketflygplan format som en projektil. Den 14 oktober 1947 blev flygplanet det första transportmedlet som passerade ljudvallen.
Ljudvallen är hoptryckta vågor
En ljudvall består mycket riktigt inte av tegelstenar, utan av osynliga ljudvågor.
När exempelvis ett flygplan befinner sig i rörelse pressas ljudvågorna framför planet samman, och i takt med att hastigheten ökar minskar avståndet mellan ljudvågornas topp och botten.
När flygplanet uppnår ljudets hastighet pressas ljudvågorna framför det ihop så mycket att de bildar en vall i form av en chockvåg. När de hoptryckta ljudvågorna når ner till marken upplevs de som en så kallad överljudsbang.
Den höga smällen hörs inte i flygplanets cockpit eftersom flygplanet rör sig så snabbt att överljudsbangen inte kan komma ikapp det.
Man kan ha turen att få se en lätt konformig bildning av vattenånga omge flygplanet när ljudets hastighet överskrids. Vattenångan bildas av fukt i luften när trycket minskar i dalen mellan två ljudvågor.
När ett flygplan överskrider ljudets hastighet och passerar ljudvallen kan det bildas ett vitt moln vid flygplanets stjärtparti.
I regel lämnar emellertid inte ljudvågor efter sig något synligt avtryck. Ljud består nämligen av osynliga vibrationer i luften, ljudvågor, som i våra öron omvandlas till nervsignaler som tolkas av hjärnan.
Molekylernas täthet (ljudtrycket) varierar och avgör hur ljudet uppfattas. Tonhöjden, som mäts genom att registrera antalet vågor per sekund, uttrycks i hertz. Ljudets styrka mäts i decibel.
Eko avslöjar ljudets hastighet
Ljudets hastighet fastslogs för första gången år 1640 av den franske matematikern Marin Mersenne.
Vid den här tidpunkten hade vetenskapsmän som den italienske astronomen Galileo Galilei redan konstaterat att ljud färdas i vågor.
Hur snabbt ljudvågorna rörde sig var dock fortfarande okänt. Marin Mersenne bestämde sig för att besvara den frågan genom att göra ett enkelt experiment.
Fransmannen ställde sig 159 meter från en mur och yttrade orden benedicam dominum, Gud ske pris. Med hjälp av en pendel registrerade han hur lång tid det tog för ljudet att återvända till hans hörselgångar i form av ett eko.
Marin Mersenne registrerade ordens eko efter en sekund. Genom att dividera avståndet till muren med den tid det tog för ljudet att registreras av hans öra kom han fram till att ljudets hastighet var 318 meter per sekund.
Video: Se Felix Baumgartner falla snabbare än ljudets hastighet
Felix Baumgartner skrev in sig i historieböckerna med sitt hopp från 39 068 meters höjd. Den österrikiske våghalsen blev den första människan som passerade ljudvallen i fritt fall.
Vakuum bromsar ljudets hastighet
I dag vet vi att ljudvågor färdas genom 20 grader varm luft i exakt 343 meter per sekund.
Hastigheten varierar dock beroende på luftens tryck, fuktighet och temperatur. När ljudvågor färdas genom ett annat material än luft, till exempel vatten och trä, ökar hastigheten. I 20 grader varmt vatten är ljudets hastighet 1 482 meter per sekund, medan hastigheten i trä är 4 100 meter per sekund.
Redan år 1660 bevisade den brittiske forskaren Robert Boyle att ljud måste fortplantas genom någonting, till exempel luft, för att existera.
Boyle gjorde ett experiment där han placerade en klocka i ett lufttätt kärl och sög ut luften ur den. När det inte fanns någon luft kvar och klockan därmed befann sig i ett vakuum slutade den att ringa.
Så fungerar ljudets hastighet
Svängningar skapar ljudvågor
Ljud uppstår när molekyler i luften sätts i rörelse. I rymden finns ingen luft som kan bära ljudet och därmed inga ljud. Vid normalt lufttryck i havsnivå och en temperatur på 15 grader rör sig ljudet i 1 225 kilometer i timmen.
Molekyltäthet ökar hastigheten
Ljud fortplantas även i vätskor och fasta material. Ju kortare avståndet är mellan molekylerna i materialet, desto snabbare rör sig ljudet. I vatten är hastigheten till exempel fyra gånger högre än i luft.
Ljudvall skapar bang på marken
När ett flygplan överskrider ljudets hastighet pressas ljudvågorna samman kring flygplanet, vilket skapar en ljudvall i form av en chockvåg. Trycket från vågen ger upphov till en stark överljudsbang nere på marken.
Ljud är läkarnas nya vapen
Hundrafemtionio år efter Robert Boyles experiment banade den franske läkaren René Laennec väg för ljudet som verktyg i medicinska sammanhang.
Vid en undersökning av en överviktig patient hade René Laennec svårt att höra hjärtslagen när han lade örat mot bröstet. Han rullade då ihop 24 pappersark och satte ena änden mot kvinnans bröst och den andra mot sitt eget öra.
Anordningen förstärkte ljuden från patienten – och världens första stetoskop hade uppfunnits.
I dag använder sig läkarna av ljud för att få detaljerade bilder av patienters inre organ med så kallade ultraljudsskannrar.
Ultraljudsskanningar fungerar på så sätt att ljudvågor med flera miljoner hertz skickas in i kroppen och reflekteras till en skanner med ett eko i form av en bild. Beroende på vilken vävnad i kroppen ljudvågorna träffar sänds olika signaler tillbaka, som kan påvisa allt från åderförkalkning till cancer.
Ljudvågor bekämpar cancer och blodproppar
Forskarna använder inte bara ljudets vågor för att påvisa sjukdomar. Nu ska de också använda ljud för att behandla dem.
På California Institute of Technology i USA arbetar forskare med high-intensity focused ultrasound (HIFU), en målriktad ultraljudsenergi som kan förstöra cancerceller i prostata.
Genom att föra in en ultraljudssond i ändtarmen kan forskarna rikta fokuserat ultraljud mot cancercellerna, som värms upp till 85–100 grader och dör.
Forskare experimenterar även med att använda den fokuserade ultraljudsenergin för att avlägsna blodproppar i hjärnan. Hittills har emellertid försöken endast utförts på djur.
Med hjälp av en hjälm bestående av över tusen komponenter, så kallade omvandlare, kan läkarna rikta ljudvågor mot specifika delar av hjärnan som drabbats av en blodpropp.
Ljudvågorna kan riktas mot områden på ända ner till fyra millimeters tjocklek, och försök visar att de fokuserade ljudvågorna kan lösa upp en blodpropp i en blodåder i hjärnan på under en minut – utan att skada kringliggande vävnad.