Γιατί οι κινητήρες αεριωθουμένων είναι τόσο δυνατοί;

Ο θόρυβος ενός κινητήρα τζετ προκαλείται από τις αναταράξεις του αέρα καθώς αυτός εξέρχεται από τον κινητήρα με υψηλή ταχύτητα. Αυτή η αναταραχή δημιουργεί κύματα πίεσης που βρίσκονται εντός του φάσματος ακουστικής συχνότητας, προκαλώντας μια αίσθηση ακοής. Άλλοι παράγοντες που επιδεινώνουν το αποτέλεσμα είναι οι αναταράξεις γύρω από τα φτερά, τα άκρα της ουράς και το σύστημα προσγείωσης, καθώς και οι δονήσεις του πίνακα.

Οι άνθρωποι που ζουν κοντά σε αεροδρόμια είναι πιο επιρρεπείς στο άγχος, την εξασθένηση της μνήμης και ακόμη και τις καρδιακές παθήσεις. Αυτές οι ασθένειες προκαλούνται από την υπερβολική ηχορύπανση που ασταμάτητα τσακίζει τα αυτιά τους. Όλοι γνωρίζουμε τον βροντερό βρυχηθμό των αεροπλάνων που κάνουν τα παράθυρα και τα έπιπλα να τρέμουν από φόβο. Ο θόρυβος είναι πολύ πιο ενοχλητικός όταν φωνάζει ένα θορυβώδες αεροπλάνο.

Μου θυμίζει τον Iron Man.

Ο ήχος ενός πίδακα είναι τόσο δυνατός που ακόμα και όταν κάποιος εκτοξεύει τα ανώτερα στρώματα του ουρανού, αφήνοντας πίσω του ένα παχύ ίχνος τεχνητών σύννεφων δίπλα στα φυσικά σύννεφα, ο οξύς, διαπεραστικός θόρυβος μπορεί να ακούγεται ευδιάκριτα. Στην πραγματικότητα, στα 140 ντεσιμπέλ (μονάδα για τη μέτρηση της έντασης του ήχου), ο θόρυβος ενός αεροπλάνου είναι μόλις 40 ντεσιμπέλ μακριά από το να βλάψει τους ιστούς της ακοής μας και 54 ντεσιμπέλ μακριά από τον δυνατότερο δυνατό θόρυβο. Αλλά τι προκαλεί αυτόν τον θόρυβο;

Ο κινητήρας

Για να καταλάβουμε τι οδηγεί αυτή την απίστευτη ρακέτα, πρέπει πρώτα να καταλάβουμε τι οδηγεί το ίδιο το τζετ. Ο κινητήρας ενός τζετ μπορεί να χωριστεί σε πολλά διακριτά μέρη. Το πρώτο μέρος είναι ο ανεμιστήρας, ο οποίος εκτελεί το έργο της αναρρόφησης αέρα. Οι λεπίδες έχουν σχεδιαστεί με τρόπο που να δελεάζουν και να καταπίνουν έναν τεράστιο όγκο αέρα μέσα στον κινητήρα. Στη συνέχεια, ο αέρας μεταφέρεται στον συμπιεστή, ο οποίος πιέζει τον αέρα για να τον κάνει πιο εύφλεκτο. Ο συμπιεστής, όπως και ο ανεμιστήρας, αποτελείται από έξυπνα σχεδιασμένα πτερύγια που χειρίζονται τα μόρια του αέρα για να συσκευάζονται σε πιο στενούς χώρους. Ο συμπιεστής ενός πίδακα συμπιέζει τον αέρα έως και 12 φορές την αρχική του πίεση!

(Φωτογραφία:Jeff Dahl / Wikimedia Commons)

Ο εύφλεκτος αέρας διοχετεύεται στον θάλαμο καύσης, όπου γίνεται έγχυση καυσίμου. Ένας ηλεκτρικός σπινθήρας πυροδοτεί το μείγμα. Το άμεσα διογκωμένο, καιόμενο αέριο πρέπει να βρει διέξοδο, αλλά δεν μπορεί να βγει από τον ανεμιστήρα λόγω του εισερχόμενου αέρα. Αντίθετα, το αέριο διαφεύγει μέσω ενός ακροφυσίου στο άλλο άκρο του κινητήρα. Αυτή η δύναμη, σύμφωνα με τον τρίτο νόμο κίνησης του Νεύτωνα, δημιουργεί μια ίση και αντίθετη δύναμη για να ωθήσει τον πίδακα προς την αντίθετη κατεύθυνση. Η συσκευή προσαρτάται από έναν στρόβιλο με πτερύγια που περιστρέφονται από τις ριπές θερμού αερίου. Ο στρόβιλος είναι επίσης στερεωμένος στον ανεμιστήρα και στον συμπιεστή για να συνεχίσουν να περιστρέφονται.

Διαφορές ταχύτητας

Μια τεράστια, απότομη αλλαγή στην ταχύτητα του υγρού παρατηρείται σε δύο στιγμές:όταν ο αέρας εισέρχεται στον κινητήρα μέσω του ανεμιστήρα και όταν το φλεγόμενο αέριο αναβλύζει μέσα από το ακροφύσιο. Η ροή του αερίου με μια τέτοια υπερβολική ταχύτητα δημιουργεί μια περιβόητη αναταραχή στον περιβάλλοντα αέρα, η οποία μεταδίδει μια πληθώρα κυμάτων πίεσης τυχαία. Και τι είναι ο ήχος εκτός από ένα κύμα πίεσης που ταξιδεύει μέσω ενός μέσου, όπως ο αέρας;

Για παράδειγμα, όταν ένα περιστρεφόμενο πτερύγιο του ανεμιστήρα περνάει έναν όγκο αέρα, τον συμπιέζει, αν και ελάχιστα. Ωστόσο, πριν ολοκληρώσετε μια περιστροφή και επιστρέψετε στο ίδιο σημείο, η πίεση του αέρα ανακτάται. Αλλά καθώς ο ανεμιστήρας ολοκληρώνει έναν γύρο, ο περιβάλλοντα αέρας συμπιέζεται για άλλη μια φορά. Ο κύκλος συμπίεσης και ανάκτησης συνεχίζεται καθώς ο ανεμιστήρας συνεχίζει να περιστρέφεται. Ο ανεμιστήρας του κινητήρα ενός τζετ περιστρέφεται με εκπληκτικές 20.000 σ.α.λ., επομένως η συχνότητα αυτών των αλλαγών είναι δραστικά υψηλή.

Ένας ήχος είναι απλώς μια δόνηση που ταξιδεύει ως κύμα πίεσης μέσω ενός μέσου, όπως ο αέρας.

Ομοίως, όταν το αέριο στο άλλο άκρο διαστέλλεται εκθετικά σε μια στιγμή, η χαοτική διαταραχή ή η αναταραχή ροής εκπέμπει κύματα πίεσης παντού. Τώρα, εάν η συχνότητα αυτής της διαταραχής είναι εντός του φάσματος ακουστικής συχνότητας, γίνεται αισθητή μια αίσθηση ακοής. Ένα εξαιρετικά δυνατό. Άλλοι παράγοντες που επιδεινώνουν το αποτέλεσμα είναι οι αναταράξεις γύρω από τα φτερά, τα άκρα της ουράς και το σύστημα προσγείωσης, καθώς και οι δονήσεις του πίνακα.

Curtailing the noise and the mystery of turbulence

Για να μειώσουν την ένταση αυτού του θορύβου, οι μηχανικοί συχνά τοποθετούν ένα μίξερ ή ένα κιτ παύσης στο τέλος του κινητήρα. Ένας αναμικτήρας αναμιγνύει το ζεστό αέριο με τον κρύο αέρα, ο οποίος ρέει γύρω από τον θάλαμο καύσης για να μειώσει τη θερμοκρασία του αναφλεγόμενου αερίου και έτσι να μειώσει την ταχύτητά του. Αυτό, φυσικά, επηρεάζει την απόδοση ενός τζετ, αλλά είναι ο συμβιβασμός που πρέπει να αποδεχτούν οι μηχανικοί.

Μίξερ σε κινητήρα Jet και κιτ Hush (Φωτογραφία:Alf van Beem / Wikimedia Commons)

Ένας άλλος τρόπος για να μειώσετε τη γκρίνια είναι να χρησιμοποιήσετε μακρύτερα ακροφύσια, έτσι ώστε ο στροβιλισμός του διογκωμένου αερίου να είναι πιο ελεγχόμενος. Και πάλι, κατά συνέπεια, η ταχύτητα του πίδακα μειώνεται, αλλά η μείωση της έντασης είναι περίπου 15 ντεσιμπέλ. Αυτό μπορεί να ακούγεται σαν μια ασήμαντη αλλαγή, αλλά δεδομένου ότι η κλίμακα ντεσιμπέλ είναι λογαριθμική, η μείωση είναι πραγματικά τεράστια. Το συμπέρασμα είναι ότι όσο πιο αργός είναι ο πίδακας, τόσο πιο αθόρυβος είναι.

Είναι οι αναταράξεις που προκαλούνται από τον αέρα υψηλής ταχύτητας που εξέρχεται από το ακροφύσιο και εισχωρεί στον αέρα χαμηλής ταχύτητας έξω που είναι υπεύθυνος για την παραγωγή τόσο ισχυρών ηχητικών κυμάτων. Οι φυσικοί εξηγούν τον δυνατό θόρυβο ως την «ενίσχυση των διακυμάνσεων των αναταράξεων». Όσο για το τι εξηγεί την ίδια την αναταραχή, είμαστε ακόμα συγκλονισμένοι. Η χαοτική φύση των αναταράξεων έχει μπερδέψει τους φυσικούς από την αρχαιότητα. Ωστόσο, δεδομένου ότι ο αέρας που πλημμυρίζει βίαια έναν κινητήρα αεριωθουμένων παράγει εντυπωσιακά διατεταγμένα ακουστικά πεδία, η μελέτη αυτών των κινητήρων προσφέρει μια ευκαιρία για τη μελέτη των αναταράξεων.

Η χαοτική φύση των αναταράξεων έχει μπερδέψει τους φυσικούς από την αρχαιότητα.

Ωστόσο, η πρόοδος δεν ήταν ουσιαστική. Ο σκοπός της ευμετάβλητης φύσης του εξακολουθεί να μας διαφεύγει. Τα δεινά ενός φυσικού που μελετούσε τις αναταράξεις περιγράφηκε τέλεια από τον βραβευμένο με Νόμπελ Βέρνερ Χάιζενμπεργκ όταν είπε κωμικά:«Όταν συναντήσω τον Θεό, θα του κάνω δύο ερωτήσεις:Γιατί η σχετικότητα; Και γιατί αναταράξεις; Πιστεύω πραγματικά ότι θα έχει μια απάντηση για το πρώτο.»