Luotikone lensi ääntä nopeammin
Lokakuun 14. päivänä 1947 Mojaven aavikolla Yhdysvalloissa hiljaisuuden rikkoi pamaus, kun koelentäjä Chuck Yeager lensi ensimmäisenä ihmisenä vaakalennossa ääntä nopeammin.
Äänivalli rikottiin Bell X-1-rakettikoneella, joka oli muotoiltu .50-kaliiperisen Browning-konekiväärin patruunan mukaan. Kone halkoi kuin siivekäs ohjus ilmaa 1 127 kilometrin tuntinopeudella 13 kilometrin korkeudessa.
”Lensin supersoonisesti 18 sekuntia”, kirjoitti Chuck Yeager 40 vuoden kuluttua historiallisesta tapahtumasta. Supersooninen tarkoittaa ääntä nopeampaa. ”Ei tuntunut iskua, ei nykäystä eikä sysäystä. Eikä varsinkaan tiilimuuria, johon olisi voinut murskautua. Olin elossa.”
Bell X-1 oli oranssi luotimainen rakettikone. Se lensi 14.10.1947 ensimmäisenä lentokoneena ääntä nopeammin vaakalennossa.
Äänivalli on kokoon puristuneita aaltoja
Äänivalli koostuu tiilien sijasta näkymättömistä ääniaalloista.
Kun esimerkiksi lentokone liikkuu, sen edessä olevat ääniaallot tihentyvät sitä mukaa kuin lentonopeus kasvaa ja ääniaaltojen pohjan ja huipun välinen etäisyys pienenee.
Kun kone saavuttaa äänen nopeuden, sen edessä olevat ääniaallot ovat puristuneet siinä määrin kokoon, että ne muodostavat muurin iskuaallon muodossa. Kun yhteen painuneet ääniaallot saapuvat maanpinnalle, ne aistitaan niin sanottuna yliäänipamauksena.
Pamaus ei kuulu ohjaamoon, sillä lentokone liikkuu niin nopeasti, että yliäänipamaus ei pysy mukana.
Joskus voi onnistua näkemään kartiomaisen vesihöyrytiivistymän koneen ympärillä silloin, kun äänen nopeus ylittyy. Tiivistymä syntyy ilman kosteudesta, kun ilmanpaine laskee ääniaaltojen välissä.
Kun kone ylittää äänen nopeuden ja rikkoo äänivallin, sen perän ympärille voi syntyä valkoinen pilvi.
Yleensä ääniaallot eivät kuitenkaan jätä näkyvää jälkeä. Ääni koostuu nimittäin näkymättömistä ilman värähtelyistä, ääniaalloista, jotka korva muuttaa aivojen tulkitsemiksi hermoimpulsseiksi.
Molekyylien tiheys (äänenpaine) vaihtelee ja määrää, millaiseksi ääni lopulta tajutaan. Äänenkorkeus mitataan rekisteröimällä aaltojen määrä sekunnissa hertsilukuna ilmaistuna. Äänenvoimakkuus määritetään desibeleinä.
Kaiku kertoo äänen nopeudesta
Äänen nopeudesta otti ensimmäisenä selkoa ranskalainen matemaatikko Marin Mersenne vuonna 1640.
Jo tuolloin muun muassa italialainen tähtitieteilijä Galileo oli päässyt perille siitä, että ääni etenee aaltoina.
Ääniaaltojen etenemisnopeus oli kuitenkin vielä hämärän peitossa. Marin Mersenne alkoi etsiä vastausta kysymykseen tekemällä yksinkertaisen kokeen.
Ranskalaistutkija asettui 159 metrin päähän seinästä ja sanoi Benedicam Dominum – Herralle kiitos. Heilurin avulla hän mittasi, kuinka pitkän ajan sanat viipyivät matkalla, ennen kuin hän kuuli ne kaikuna.
Marin Mersenne totesi sanojen heijastuvan takaisin sekunnissa. Jakamalla etäisyyden seinään (159 metriä) sillä ajalla, joka kului kaiun kuulemiseen, hän päätyi siihen tulokseen, että äänen nopeus oli 318 metriä sekunnissa.
Video: Felix Baumgartner putoaa ääntä nopeammin
Felix Baumgartner kirjoitti nimensä historiankirjoihin hypyllään 39 068 metrin korkeudesta. Itävaltalainen hurjapää oli ensimmäinen ihminen, joka rikkoi äänivallin pudotessaan vapaasti.
Tyhjiö hidastaa äänen kulkua
Nykyään tiedetään, että ääniaallot etenevät 20-asteisessa ilmassa täsmälleen 343 metriä sekunnissa.
Nopeus riippuu kuitenkin ilman paineesta, kosteudesta ja lämpötilasta. Muissa aineissa kuin ilmassa – esimerkiksi vedessä tai puussa – ääniaallot kulkevat nopeammin. 20-asteisessa vedessä äänen nopeus on 1 482 metriä sekunnissa ja puussa 4 100 metriä sekunnissa.
Brittiläinen tutkija Robert Boyle todisti jo vuonna 1660, että ääni voi liikkua vain väliaineessa, kuten ilmassa.
Boyle sijoitti kokeessaan kellon ilmatiiviiseen astiaan ja tyhjensi tämän ilmasta. Kun ilma puuttui, kello oli tyhjiössä eikä sen soimisääni enää kuulunut.
Näin äänen nopeus määräytyy
Värähtelyt luovat ääniaaltoja
Ääni syntyy, kun ilman molekyylit alkavat värähdellä. Avaruudessa ei ole ääntä kuljettavaa ilmaa eikä siten myöskään ääntä. Normaalissa ilmanpaineessa merenpinnantasossa 15 asteen lämpötilassa ääni etenee 1 225 kilometriä tunnissa.
Aineen tiheys nostaa nopeutta
Ääni liikkuu myös nesteissä ja kiinteissä aineissa. Mitä lyhyempiä molekyylien välit aineessa ovat, sitä nopeammin ääni kulkee. Esimerkiksi vedessä äänen nopeus on noin nelinkertainen ilmaan verrattuna.
Äänivalli kuuluu pamauksena maassa
Kun lentokone ylittää äänen nopeuden, ääniaallot tihentyvät sen ympärillä ja muodostavat äänivallin iskuaallon muodossa. Aallon paine aiheuttaa maanpinnalla yliäänipamauksen.
Ääni on lääkärien uusi ase
Ranskalainen lääkäri René Laënnec tasoitti 159 vuotta Robert Boylen kokeiden jälkeen tietä äänen lääketieteelliselle käytölle.
Kun Laënnec tutki vastaanotollaan lihavaa potilasta, hänen oli vaikea erottaa sydänääniä asettamalla korvansa rintaa vasten. Laënnec keksi kiertää 24 paperiarkkia rullalle. Hän kuuli sydänäänet paremmin putkella, jonka toinen pää oli hänen korvallaan, toinen potilaan rinnalla.
Putki vahvisti ääniä, ja näin oli syntynyt maailman ensimmäinen stetoskooppi.
Nykyään äänen avulla muodostetaan tarkkoja kuvia potilaiden sisäelimistä niin sanotuissa kaikukuvauslaitteissa.
Kaikukuvauslaite on ultraääniskanneri, jossa taajuudeltaan miljoonia hertsejä olevia ääniaaltoja lähetetään elimistöön ja otetaan vastaan kuvana näkyvinä kaikuina. Ääniaaltojen heijastuminen takaisin riippuu siitä, millaiseen kudokseen ne ovat osuneet, ja erot paljastavat muun muassa ahtautuneita suonia ja kasvaimia.
Ääniaallot torjuvat syöpää ja veritulppia
Ääntä ei käytetä lääketieteessä vain sairauksien paljastamiseen, vaan sillä saattaa olla hyvinkin mahdollista myös hoitaa niitä.
Kalifornian teknillisessä yliopistossa (Caltech) kehitetään suurienergiaisen kohdennetun ultraäänen (high-intensity focused ultrasound, HIFU) sovellusta eturauhassyövän hoitoon.
Puikkomainen ultraäänilähde viedään potilaan peräsuoleen, ja se lähettää sieltä suurienergiaista ultraääntä kasvaimeen. Sen vaikutuksesta syöpäsolut kuumenevat 85–100-asteisiksi ja tuhoutuvat.
Nyt tutkitaan myös mahdollisuuksia poistaa aivoista veritulppia kohdennetulla ultraäänellä. Toistaiseksi kokeita on kuitenkin tehty vain eläimillä.
Yli tuhat muuntimeksi kutsuttua komponenttia sisältävä päähine ohjaa ääniaallot niihin aivojen osiin, joiden verenkierto on häiriintynyt tukkeutuneen suonen takia.
Ääniaallot voidaan suunnata alueille, jotka ovat paksumpia kuin neljä millimetriä, ja kokeiden mukaan kohdennetut ääniaallot voivat hajottaa aivoista verisuonitukoksen alle minuutissa – vahingoittamatta ympäröiviä kudoksia.