今日快看!甩鞭甩出超音速，公園大爺如何掌握甩鞭玄機？

對于鞭子，大家一定不會陌生。它可以用來驅趕牲畜，也可以作為一種武器來使用。而如今，鞭子更是成為了一種健身工具，被人們稱之為“響鞭”。

來源｜百度百科

響鞭源自河南，是一種風靡民間的健身運動。彎腰，收肩，舉臂，一抖手腕，一甩鞭梢，鞭子便會在空中發出“啪”的一聲，響徹四周。但你知道嗎，大爺們每次甩鞭，竟然可以甩出超音速！？這又是怎么一回事呢？

1. 什么是音爆？

首先，我們需要知道柔軟的鞭子是如何在空中發出聲音的，這來自于一個奇特的物理現象——“音爆”。“音爆”，如果單獨從字面意思上看，是“聲音爆炸”，但實際上，要想了解“音爆”，我們還要先知道“音障”是何物。

“音障”，可以簡單理解為一道屏障，但這道屏障存在于空氣中，用肉眼無法看見的。任何物體（包括聲音）在空氣中傳播時都會受到一定的阻力，物體運動的速度越大，這種阻力就越大，以至于可以在空氣中形成一道屏障，阻礙物體的加速前進。

以飛機為例，當飛機速度接近聲速時，阻力突然增大，會出現操作失常、自發栽頭的現象。同時，飛機的速度也不能再進一步提高。人們曾認為聲速就是飛機速度的極限，達到聲速后，飛機就面臨著一道無形的空氣屏障，故稱這個現象為“音障”或“聲障”。

飛機突破音障

來源｜pixabay

當我們朝水里扔一塊石頭時，水面上就會出現以石頭落水點為中心的一圈圈漣漪，聲音的傳播亦是如此。聲音在空氣中以波的形式傳播，任何聲音都是以發聲體為中心，一圈一圈不斷擴大向四周傳播。

聲波演示

來源｜維基百科

如果發聲體固定不動且傳聲介質是完全均勻的，那聲波傳遞的形式就會是規則的同心圓，但當發聲體開始移動并不斷加速時，發聲體周圍的聲波就會呈現出一個錐形的立體聲波能量場。如果新產生的聲波與之前的聲波進行疊加，聲音也會變得更大。

而如果將適用范圍擴大至所有的波（光波、聲波、水波等），就形成了著名的多普勒效應。多普勒效應是指物體所發出的波隨著物體或觀察者的運動而不斷變化的現象。在運動的波源前面，波受到壓縮，使波長變短，頻率變高；反之，波源后的波長會變長，頻率會變低。就像一輛車從遠處駛來，你聽到的聲音響度是遞增的，這就是聲波被壓縮、疊加的結果。

多普勒效應

來源｜騰訊網

當飛機達到超音速時，作為發音體的飛機已超過了聲音的傳播速度，周圍空氣被高度擠壓，在突破音障時，大量的能力集中爆發，從而形成了強烈的爆炸聲，這就形成了音爆。

音爆成因

來源｜《What Is a Sonic Boom_ And How It Breaks Every Rule You Know》

所以人們發現，只要當物體的速度足夠快，以至達到超音速后，物體就可以沖過這道屏障。與此同時，物體周圍也會產生一個強烈的沖擊波，聽覺上我們可以聽到“啪”的爆炸聲，視覺上有時還能看到一團錐形云。

人們第一次發現音爆是在1947年，美國飛行員駕駛著X-1型飛機以每小時1278公里的速度在空中飛行。隨著一聲巨響和一團云霧，人類第一次突破了音障，而這位飛行員也是人類歷史上第一個超越聲音的人。

突破音速的美國飛行員

來源｜《Chuck Yeager Breaks the Sound Barrier -- X-1 -- 1947》

(資料圖片僅供參考)

2. 皮鞭甩出超音速

一根小小的皮鞭，經過一套專業的動作之后，皮鞭的鞭梢部分也會聚集大量的能量，它的速度往往可以達到聲速的兩倍，這種現象正是“音爆”。

甩鞭

來源｜《Smarter Every Day》視頻截圖

但產生巨響并不僅僅是鞭梢的功勞。近期，科學家通過數學模型分析，發現鞭子甩動過程中會在運動方向上形成環狀結構，而這一結構在以音速運動時也可以產生聲震。當鞭子環狀結構運動速度處于音速時，鞭梢的速度能達到音速的數倍，加大聲音的響亮程度。

也許廣場上的甩鞭大爺們并不知道，他們竟離超音速如此之近，手中的皮鞭也能夠突破音障了，真的是高手在民間呀！不過也正是因為這樣，甩鞭子的運動有些危險，運動時一定要留心周圍人群和環境。

標簽： 多普勒效應 突破音障 適用范圍