Vào một ngày trời quang gần căn cứ không quân, đôi khi bỗng vang lên hai tiếng “ầm, ầm” thật lớn khiến cửa sổ rung lạch cạch. Trên trời không một gợn mây mà lại nghe thấy tiếng như sấm, nên ai cũng giật mình. Thủ phạm của âm thanh này không phải là một vụ nổ, mà là dấu vết do một chiếc máy bay bay nhanh hơn âm thanh để lại.
Âm thanh lớn phát ra khi sóng xung kích hình thành lúc một vật đi xuyên qua không khí nhanh hơn tốc độ âm thanh chạm tới mặt đất được gọi là “tiếng nổ siêu thanh (Sonic Boom)”.
Bài viết này sẽ lần lượt tìm hiểu cơ chế hình thành tiếng nổ siêu thanh, những tiếng nổ siêu thanh nhỏ quanh ta, lý do máy bay chở khách siêu thanh biến mất và cả những nghiên cứu nhằm giảm tiếng nổ này.
Khoảnh khắc vượt bức tường âm thanh: Cơ chế và tác động của tiếng nổ siêu thanh
Tiếng nổ siêu thanh hình thành như thế nào?
Âm thanh là sóng trong đó sự thay đổi áp suất không khí lan ra như những gợn nước. Trong không khí ở 20 độ C, âm thanh đi được khoảng 343 mét mỗi giây. Giá trị biểu thị tốc độ của một vật theo chuẩn tốc độ này là số Mach (Mach), và tốc độ bằng âm thanh là Mach 1.
(1) Sóng áp suất dồn lại phía trước
Khi bay, máy bay liên tục tạo ra sóng áp suất ở phía trước và phía sau, giống như những con sóng hình thành ở mũi và đuôi một con thuyền lướt trên mặt nước. Khi máy bay chậm hơn âm thanh, sóng áp suất lan ra phía trước trước, nhưng tốc độ càng gần tốc độ âm thanh thì các sóng càng không kịp thoát ra mà dồn lớp lớp trước máy bay.
(2) Hợp lại thành một sóng xung kích
Khi máy bay nhanh hơn âm thanh, các sóng áp suất dồn lại hợp thành một sóng xung kích, nơi áp suất tăng vọt đột ngột. Sóng xung kích này lan về phía sau theo hình nón với đỉnh là máy bay, gọi là nón Mach (Mach Cone). Máy bay càng nhanh thì hình nón càng nhọn.
(3) Vì sao nghe thấy hai tiếng
Ở mũi máy bay, áp suất không khí tăng đột ngột; về phía đuôi, áp suất giảm xuống thấp hơn bình thường rồi trở lại như cũ sau khi máy bay đi qua. Vì sự thay đổi áp suất này giống chữ cái N nên được gọi là sóng N (N-wave). Do có hai thời điểm áp suất thay đổi đột ngột, người dưới mặt đất nghe thấy tiếng nổ kép “ầm, ầm”.
Có phải chỉ nổ một lần khi vượt bức tường âm thanh?
Nhiều người nghĩ rằng máy bay chỉ phát ra một tiếng “ầm” duy nhất vào đúng khoảnh khắc vượt qua tốc độ âm thanh, nhưng đó là một hiểu lầm.
(1) Âm thanh bám theo suốt hành trình
Tiếng nổ siêu thanh được tạo ra suốt thời gian máy bay bay ở tốc độ siêu thanh. Sóng xung kích hình nón di chuyển theo máy bay và quét qua mặt đất, và mỗi người ở nơi hình nón đi qua sẽ nghe thấy tiếng nổ một lần. Khu vực trải dài bên dưới đường bay này được gọi là thảm tiếng nổ (Boom Carpet).
(2) Buồng lái vẫn yên tĩnh
Vì sóng xung kích lan về phía sau máy bay nên chính những người ngồi trên máy bay lại không nghe thấy tiếng nổ. Các phi công lái máy bay chở khách Concorde cũng kể rằng họ chỉ thấy sự thay đổi áp suất trên đồng hồ đo chứ không nghe thấy âm thanh.
(3) Độ lớn thay đổi theo độ cao và thời tiết
Máy bay bay càng cao, sóng xung kích càng lan rộng và yếu đi, nên áp suất chạm tới mặt đất giảm. Bù lại, khu vực nghe thấy tiếng nổ trở nên rộng hơn. Có khi phải vài giây đến khoảng 1 phút sau khi máy bay bay qua, âm thanh mới tới mặt đất, và mức độ nghe thấy còn khác nhau tùy nhiệt độ, gió và bề mặt địa hình.
Những tiếng nổ siêu thanh nhỏ quanh ta
Tiếng nổ siêu thanh không chỉ là chuyện của máy bay tiêm kích. Tuy nhỏ hơn nhiều, nhưng trong đời sống hằng ngày ta cũng có thể nghe thấy âm thanh theo cùng nguyên lý.
- Tiếng roi quất (Whip Crack): Khi vung roi thật mạnh, đầu roi thon dần chuyển động nhanh hơn âm thanh và tạo ra một tiếng nổ siêu thanh nhỏ nghe “chát”.
- Quất khăn (Towel Snap): Tiếng chát chúa khi giật mạnh một chiếc khăn cuộn tròn cũng là một ví dụ về tiếng nổ siêu thanh nhỏ.
- Đạn siêu thanh (Supersonic Bullet): Tiếng nổ chát chúa nghe thấy khi một viên đạn nhanh hơn âm thanh bay qua trên đầu cũng là âm thanh do sóng xung kích tạo ra.
Roi có thể nhanh hơn âm thanh là vì chuyển động ở phía cán được truyền tới phần đầu roi ngày càng mảnh và nhẹ, khiến tốc độ tăng lên rất nhiều.
Thử thách bay thật êm trên bầu trời
Sau khi phi công người Mỹ Chuck Yeager lái chiếc Bell X-1 lần đầu tiên vượt bức tường âm thanh khi bay ngang vào ngày 14 tháng 10 năm 1947, bay siêu thanh đã phát triển nhanh chóng. Tuy nhiên, tiếng nổ siêu thanh lại trở thành một trở ngại lớn.
(1) Cấm bay siêu thanh trên đất liền
Năm 1964, tại thành phố Oklahoma City của Mỹ, một thí nghiệm tạo tiếng nổ siêu thanh tám lần mỗi ngày đã diễn ra trong 6 tháng, và có tới 15.000 đơn khiếu nại đổ về. Vì tiếng ồn làm người dân thức giấc và rung cửa kính, Mỹ cùng nhiều nước đã cấm máy bay dân dụng bay siêu thanh trên đất liền, và ngay cả Concorde cũng chủ yếu chỉ được bay siêu thanh trên biển.
(2) Thiết kế làm tiếng nổ êm hơn
Các nhà khoa học nhận thấy rằng thay đổi hình dạng thân máy bay có thể khiến sóng xung kích không dồn lại thành một mà tản ra, giúp âm thanh êm hơn. Dựa trên nguyên lý này, Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ (NASA) đã chế tạo máy bay thử nghiệm X-59 với phần mũi rất dài và nhọn, và bay thử thành công lần đầu vào tháng 10 năm 2025. Mục tiêu là giảm tiếng nổ xuống mức tương đương tiếng đóng cửa ô tô.
(3) Bay sao cho sóng không chạm đất
Trên cao, nhiệt độ không khí thấp hơn dưới mặt đất nên âm thanh bị bẻ cong lên trên. Tận dụng điều này, người ta cũng đang nghiên cứu phương pháp gọi là ngưỡng cắt Mach (Mach Cutoff): chỉ bay nhanh hơn âm thanh một chút để sóng xung kích uốn cong ngược lên trước khi chạm tới mặt đất.
Tiếng nổ siêu thanh giống như dấu chân khổng lồ mà một vật chạy nhanh hơn âm thanh để lại trong không khí. Ẩn sau tiếng gầm xé toạc bầu trời là một định luật vật lý đơn giản mà kỳ diệu, trong đó các sóng dồn lại và hợp nhất với nhau.
Tìm ra cách bay thật nhanh mà không làm người dưới mặt đất giật mình chính là bước đầu tiên để máy bay chở khách siêu thanh hồi sinh.
