Projektilfly slo lydens hastighet
- oktober 1947 ble stillheten over Mojaveørkenen i USA brutt av et gigantisk smell da den amerikanske testpiloten Chuck Yeager som det første mennesket brøt lydmuren.
Rekorden satte han om bord i Bell X-1 – et rakettfly tegnet etter formen på en kule til et Browning-maskingevær med kaliber .50. Som et prosjektil med vinger skar flyet seg gjennom luften i 1127 km/t i 13 kilometers høyde.
«Jeg fløy i supersonisk hastighet i 18 sekunder», skrev Chuck Yeager førti år etter den historiske bragden. Supersonisk brukes om hastigheter som overstiger lydens hastighet. «Det var ikke noe slag, ikke noe rykk, ikke noe støt. Og det var i hvert fall ingen mursteinsmur å dundre inn i. Jeg var i live.»
Bell X-1 var et oransje rakettfly formet som et prosjektil. 14. oktober 1947 ble flyet det første transportmiddelet som brøt lydmuren.
Lydmur er sammenpressede bølger
En lydmur består ganske riktig ikke av mursteiner, men av usynlige lydbølger.
Når et fly er i bevegelse, blir lydbølgene foran det presset sammen, og i takt med at hastigheten stiger, blir avstanden mellom lydbølgenes topp og bunn mindre.
Når flyet når lydens hastighet, vil lydbølgene foran flyet være presset så mye sammen at de danner en mur i form av en sjokkbølge. Når de sammenpressede lydbølgene når ned til jorden, oppleves de som et såkalt overlydssmell.
Det høye braket kan ikke høres i flyets cockpit, for flyet beveger seg så raskt at overlydsbraket ikke kan innhente det.
Man kan være så heldig at man se en lett kjegleformet mur av kondens omgi flyet når lydens hastighet overskrides. Vanndampen i luften kondenserer når lufttrykket faller i dalen mellom to lydbølger.
Når et fly bryter lydmuren, kan det oppstå en hvit sky omkring halen på flyet.
Som regel etterlater imidlertid ikke lydbølger noe synlig avtrykk. Lyd består nemlig av usynlige vibrasjoner i luften, lydbølger som i ørene våre gjøres om til nervesignaler som hjernen fortolker.
Tettheten av molekyler (lydtrykket) varierer og avgjør hvordan lyden til sjuende og sist oppfattes. Tonehøyden måles ved å registrere antallet bølger i sekundet, uttrykt i hertz. Volumet måles i desibel.
Ekko sladrer om lydens hastighet
Lydens hastighet ble første gang målt i 1640 av den franske matematikeren Marin Mersenne.
På dette tidspunktet hadde vitenskapsmenn som den italienske astronomen Galileo allerede fastslått at lyd er bølger.
Hvor raskt lydbølgene beveget seg, var imidlertid fortsatt ukjent. Mersenne satte seg for å finne svaret på det spørsmålet ved å gjennomføre et enkelt eksperiment.
Franskmannen stilte seg 159 meter fra en mur og ytret ordene benedicam dominum – gud være lovet. Ved hjelp av en pendel registrerte han den tiden det tok lyden å vende tilbake til øregangene hans som et ekko.
Mersenne registrerte ekkoet av ordene etter et sekund. Ved å dele avstanden til muren (159 meter) med tiden det tok for lyden å bli registrert av øret hans, kom han fram til at lydens hastighet var 318 m/s.
Video: Se Felix Baumgartner falle raskere enn lydens hastighet
Felix Baumgartner skrev seg inn i historiebøkene med sitt hopp fra 39 068 meters høyde. Den østerrikske vågehalsen ble det første mennesket som brøt lydmuren i fritt fall.
Vakuum bremser lydens hastighet
I dag vet vi at lydbølger går gjennom luft på 20 grader i akkurat 343 m/s.
Hastigheten varierer imidlertid med lufttrykk, luftfuktighet og temperatur. Når lyd går gjennom et annet materiale enn luft, for eksempel vann og tre, endres hastigheten. For vann på 20 grader er lydens hastighet 1482 m/s, mens den for tre er 4100 m/s.
Den britiske forskeren Robert Boyle beviste allerede i 1660 at lyd må bevege seg gjennom et materiale, for eksempel luft, for å eksistere.
Boyle gjennomførte et eksperiment der han la en klokke i en lufttett beholder som han suget all luft ut av. Da det ikke var mer luft igjen og klokken dermed befant seg i et vakuum, ble lyden borte.
Slik fungerer lydens hastighet
Svingninger skaper lydbølger
Lyd oppstår når molekyler i luften settes i svingninger. I verdensrommet er det ikke noe luft til å bære lyden og derfor ingen lyd. Ved normalt lufttrykk ved havoverflaten og en temperatur på 15 °C beveger lyden seg i 1225 km/t.
Molekyltetthet øker hastigheten
Lyd beveger seg også gjennom væsker og faste stoffer. Jo kortere avstand mellom molekylene i materialet, jo raskere beveger lyden seg. I vann er farten for eksempel fire ganger så høy som i luft.
Lydmur gir smell på bakken
Når et fly overskrider lydens hastighet, blir lydbølgene presset sammen omkring flyet, og det skaper en lydmur i form av en sjokkbølge. Trykket fra bølgen gir et høyt overlydssmell nede på bakken.
Lyd er legenes nye våpen
159 år etter Robert Boyles eksperimenter banet den franske legen René Laënnec veien for lyd som verktøy i medisinsk sammenheng.
Under en undersøkelse av en overvektig kvinne hadde René Laënnec problemer med å høre hjerteslag når han la øret mot brystet til pasienten. Derfor rullet han sammen 24 ark og satte den ene enden mot kvinnens bryst og det andre motet øret sitt.
Anordningen forsterket lydene fra pasienten, og verdens første stetoskop var dermed oppfunnet.
I dag utnytter legene lyd til å danne seg detaljerte bilder av pasientenes indre organer gjennom såkalte ultralydskannere.
De virker ved at lydbølger på flere millioner hertz sendes inn i kroppen og reflekteres som et ekko til en skanner der det dannes et bilde. Avhengig av hvilket vev i kroppen lydbølgene treffer, sendes det ulike signaler tilbake, og slik kan man avsløre alt fra åreforkalking til kreft.
Lydbølger bekjemper kreft og blodpropp
Forskere vil ikke bare bruke lydbølgene til å avsløre sykdommer – nå vil de også utnytte lydens hastighet til å behandle dem.
Ved California Institute of Technology i USA arbeider forskere for eksempel med høy-intensiv fokusert ultralyd (HIFU). Det er en type målrettet ultralyd som kan ødelegge kreftceller i prostata.
Ved å plassere en ultralydsonde i endetarmen kan forskere sende ut konsentrert ultralyd mot kreftcellene, som dermed varmes opp til 85–100 grader og ødelegges.
Forskere eksperimenterer også med å bruke den fokuserte ultralyden til å fjerne blodpropper i hjernen. Til nå har forsøkene bare vært utført på dyr.
Ved hjelp av en hjelm som består av mer enn tusen komponenter – såkalte transdusere – kan legene styre lydbølgene fram til akkurat det området i en hjerne som er rammet av blodpropp.
Lydbølgene kan rettes mot områder på helt ned til fire millimeters tykkelse, og forsøk viser at de konsentrerte lydbølgene kan oppløse en blodpropp i en blodåre i hjernen på under et minutt – uten å skade det omkringliggende vevet.