近几年来在广场上经常可以见到一些玩甩鞭子健身的人,男女老少都有。一根三四米长的鞭子被大叔大妈挥舞起来之后会时不时地发出非常响亮的“啪啪”声,上百米外也能听得清清楚楚。这种鞭子被称作响鞭,响鞭发出的啪啪声不同于挥动普通棍子或鞭子时发出的声音,不知道的还以为大叔大妈练出了什么神功,或者以为那鞭子一定有什么神奇。
大叔大妈没有什么神功,响鞭也没有什么神奇。连大叔大妈都能把那鞭子甩得啪啪响,一个普通人也能做得到。鞭子能够发出响亮的“啪啪”声是因为鞭子末端的速度超过了声速,超过声速后发出了音爆声。
响鞭末端的速度超过了音速,乍一听有些不可思议,其实这与响鞭的结构有关。响鞭的长度一般在三四米附近,较骑马放羊时挥动的鞭子要长很多,鞭子长了末端的速度就可以变大一些。更关键的是,响鞭在鞭把附近比较粗,越靠近鞭梢就变得越细。挥动鞭子时,人释放的能量沿着鞭子向前传播。鞭子越来越细,能量在沿着鞭子向前传播时就会集中在越来越小的质量上,这样鞭梢的速度就会比较大。对于响鞭来说,末端的速度超过音速是很简单的事情,达到二倍音速也不是困难的事情。
鞭子可谓是人类制造的第一种能够超过音速的物体,飞机也是一种比较常见的能够超过音速的人造物体。有时候在家里突然听到天空传来炸雷般的响声,可天气还是一片晴朗,原来是超音速飞行的飞机在作怪。
声波是机械波,在介质中传播时依靠的是介质的密度振荡变化,声音在空气中的传播速度大约是340米每秒,这也是空气的密度振荡变化的传播速度。飞机飞行时,自身的运动也能向前推动空气,使得前端的空气被压缩。当飞机的速度超过音速时,由飞机推动空气引起的空气密度变大就不能比飞机更快地向前传播,使得飞机的前端有一层被压缩的密度很大的空气,这层压缩层内聚积了很多能量。压缩层周围的普通空气不论是密度还是温度都要小于压缩层,这样压缩层就会将能量释放给普通空气层,其中很多能量以声音的形式释放了出来,于是就有了响声很大的音爆。
压缩气体可以使气体液化。压缩层形成的过程中由于内部的压强足够大,可以使空气中的水蒸气液化为小水滴,这样就能够在飞机旁边形成音爆云。音爆云和战机在一起构成了一幅美丽的画面。战机的超音速美,战机周围音爆云的美,都是科学之美的体现。