不知不覺2020年已經(jīng)加載了97%，不少地方都掛起了漂亮的小彩燈準(zhǔn)備迎接新的一年。

Google主頁(yè) 圣誕節(jié)作為西方孩子們充滿期待的一個(gè)節(jié)日，也是一個(gè)送禮物熱潮期。雖然知道圣誕老人是一個(gè)像孫悟空一樣的虛構(gòu)人物，但我仍然好奇圣誕老人是怎么發(fā)放禮物的？

如果圣誕老人只給18歲及以下的小朋友送禮物，根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局第六次人口普查資料，0-18歲人口約3億，我國(guó)陸地面積約960萬(wàn)平方千米，假設(shè)圣誕老人僅在中國(guó)地區(qū)工作24小時(shí)，并且3億個(gè)小伙伴均勻地分布在我國(guó)陸地上，那么圣誕老人需要在1/3472秒內(nèi)從一個(gè)孩子跑到下一個(gè)小孩那里，且他的平均速度估算為：

大約是光速的千分之二、聲速的兩千倍，而圣誕老人要以如此高的速率運(yùn)動(dòng)，除了需要非常強(qiáng)大的電子馴鹿之外，還會(huì)產(chǎn)生不少有趣的物理現(xiàn)象，比如“音爆”。大家可能單從這個(gè)物理現(xiàn)象的名字看，就能感覺到它具有不小的威力。

實(shí)際上，音爆現(xiàn)象在我們的日常生活中也很常見。想必大家見過甩皮鞭吧？拿一根稍長(zhǎng)的，尾部質(zhì)地較軟的繩子用力地向下一揮，每一鞭甩出去后，都能聽到清脆且響亮的“啪”一聲，其實(shí)這就是音爆現(xiàn)象。正常情況下，鞭子的振動(dòng)并不會(huì)發(fā)出那么大的聲音，能發(fā)出那么大的聲音是因?yàn)楸拮拥奈膊窟\(yùn)動(dòng)速率非常快，達(dá)到了超音速，而每一次甩鞭，都是鞭子尾端在超過聲速時(shí)產(chǎn)生的一次小小的“音爆”。厲害吧，可不要小瞧了手里的小皮鞭，我們隨時(shí)就能用它制造出超音速的效果。

什么是音爆

那么到底什么是音爆呢？ 我們知道，不管是什么物體在空氣中運(yùn)動(dòng)總會(huì)受到阻力，這個(gè)阻力會(huì)使物體受到擾動(dòng)，特別是當(dāng)速度接近聲速（空氣中聲速在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和15℃的條件下約為340 m/s）的時(shí)候，這個(gè)阻力會(huì)陡增，使物體產(chǎn)生強(qiáng)烈的震蕩，速度衰減，如同一個(gè)無形的屏障一般，我們稱其為“音障”。然而，如果我們給這個(gè)物體施加足夠強(qiáng)大的推進(jìn)力，讓它達(dá)到超音速?zèng)_破這個(gè)音障的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的沖擊波，我們的耳朵也會(huì)聽到“啪”的爆炸聲，這就是形成了音爆。

因此，簡(jiǎn)單來說，音爆就是物體在空氣中運(yùn)動(dòng)超過聲速時(shí)產(chǎn)生的巨大沖擊波造成的響聲。通常威力巨大的音爆現(xiàn)象是由超音速戰(zhàn)斗機(jī)或者其他超音速飛行器跨音速飛行時(shí)產(chǎn)生的。事實(shí)上，人類第一次突破音障產(chǎn)生音爆也是通過飛機(jī)完成的。 1947年10月14日，美國(guó)人查爾斯·耶格爾 (Charles E. Yeager)，駕駛一架貝爾XS-1型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)“迷人的格倫尼斯號(hào)”(Glamorous Glennis)，以1.015馬赫(1078.23千米/小時(shí)）的速度飛越了加利福尼亞州的愛德華茲空軍基地, 伴隨著空中的一團(tuán)云霧和一聲巨響，這是人類第一次突破音障，這個(gè)飛行員也是第一個(gè)將聲音拋在后面的人。

音爆產(chǎn)生的原理

那么音爆到底是怎么產(chǎn)生的呢？ 就如同將石子扔進(jìn)湖中，水面形成的一圈圈波紋一樣，物體在空氣中運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)空氣造成擠壓，產(chǎn)生擾動(dòng)，形成波。

事實(shí)上，聲音在空氣中的傳播就是通過波實(shí)現(xiàn)的，我們可以將聲波想象成從一個(gè)小圓點(diǎn)（聲源），向四面八方發(fā)出的一個(gè)個(gè)圓，每個(gè)圓就代表聲音在空氣中的“波浪”。

?

?

?

Sonic Boom |來源：wiki? 當(dāng)聲源不動(dòng)的時(shí)候，其產(chǎn)生的聲波就是一個(gè)個(gè)的同心圓，而當(dāng)聲源開始運(yùn)動(dòng)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)方向的前方的聲波圓之間距離會(huì)變得接近，我們接受到的聲音的頻率會(huì)變高，這就是多普勒效應(yīng)，這也是為什么在馬路上向你迎面駛來的車的轟鳴聲會(huì)變得尖銳的原因。

多普勒效應(yīng)|來源：wiki 當(dāng)飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度接近聲速的時(shí)候，它便可以追上自己所發(fā)出的聲波——前一個(gè)時(shí)刻發(fā)出的聲波圈傳播到一個(gè)位置，飛機(jī)也差不多運(yùn)動(dòng)到這個(gè)位置了，因此這些聲波圈會(huì)擠壓在一起。速度越接近聲速，這些聲波圈就會(huì)擠壓得越靠近，形成激波面，當(dāng)飛機(jī)達(dá)到并超過聲速時(shí)，其對(duì)空氣造成的壓縮無法及時(shí)傳播出去，逐漸在飛機(jī)前面壓縮累積，形成一道無形的墻，飛機(jī)在突破這道墻的時(shí)候，聲波的能量在飛機(jī)頭部高度集中，這些能量傳到人耳的時(shí)候我們就能聽見短暫而強(qiáng)烈的爆炸聲，這就產(chǎn)生了音爆。

通過以下的圖我們能更加直觀地體會(huì)到音爆產(chǎn)生的原理，在飛機(jī)的頭部，空氣的壓強(qiáng)激增，經(jīng)過激波面之后，壓強(qiáng)降低，并在飛機(jī)尾部迅速地回升至正常的壓強(qiáng)，壓強(qiáng)的變化呈現(xiàn)一個(gè)N字形，因此也叫做N形波。當(dāng)空氣的壓強(qiáng)急劇變化的時(shí)候便會(huì)產(chǎn)生音爆，因此飛機(jī)在超音速飛行的時(shí)候，我們應(yīng)該能感受到兩次音爆，第一次是機(jī)頭前方空氣被劇烈壓縮，壓強(qiáng)激增造成的，第二次是空氣在機(jī)尾壓強(qiáng)突然回升到正常值導(dǎo)致的。這兩次音爆的強(qiáng)度基本相同。

音爆云的產(chǎn)生 前文中也提到，當(dāng)飛機(jī)高速運(yùn)動(dòng)突破音障時(shí)，不僅可能出現(xiàn)音爆現(xiàn)象，還可能在飛機(jī)尾部出現(xiàn)錐形的云霧，看起來就好像給飛機(jī)穿上了白色的斗篷，但馬上又會(huì)消失得無影無蹤，這也就是所謂的音爆云（學(xué)名為Prandtl-Glauert condensation clouds，普朗特-格勞厄脫凝結(jié)云）。

那么音爆云又是如何產(chǎn)生的呢？其實(shí)，在飛機(jī)超音速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，與飛機(jī)頭部形成激波的原理恰好相反，在飛機(jī)的尾部，空氣的流速會(huì)短暫地出現(xiàn)跟不上飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的情況，產(chǎn)生一種稀疏效應(yīng)，正如前文壓力分布的圖中所描述的那樣，機(jī)尾附近的壓強(qiáng)會(huì)低于周邊壓強(qiáng)。

這種稀疏效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致空氣短暫地降溫冷卻，如果大氣的濕度與溫度適宜的話，空氣中的水蒸氣就有可能因?yàn)檫@個(gè)短暫的冷卻而凝結(jié)成小水滴，在機(jī)尾的部分形成凝結(jié)云。但是，這種凝結(jié)云的出現(xiàn)時(shí)間比較短暫，一般只有幾秒鐘的時(shí)間，當(dāng)壓強(qiáng)恢復(fù)到正常的時(shí)候，馬上就會(huì)消失得無影無蹤。

值得注意的是，雖然我們稱這種凝結(jié)云為音爆云，但它的出現(xiàn)并不需要超音速，當(dāng)大氣的濕度很高，且大氣溫度在水的凝結(jié)點(diǎn)附近時(shí)，飛機(jī)不需要達(dá)到超音速也可能披上這白色的斗篷。

音爆聲會(huì)震聾馴鹿的耳朵嗎？

“音爆”的強(qiáng)弱及其對(duì)地面影響的大小與飛機(jī)飛行高度有著直接的關(guān)系，因?yàn)榧げㄔ斐傻囊舯膹?qiáng)度會(huì)隨著傳播距離的變遠(yuǎn)而減弱。當(dāng)飛機(jī)作低空超音速起降或者飛行時(shí)，地面的人們會(huì)聽到震耳欲聾的巨響，影響生活和工作，嚴(yán)重的甚至還可以震碎玻璃，損壞不堅(jiān)固的建筑物，造成直接的經(jīng)濟(jì)損失。正因?yàn)橐舯瑫?huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的能量，不少地區(qū)對(duì)超音速飛機(jī)橫越地面飛行設(shè)下嚴(yán)格限制。不過飛機(jī)內(nèi)部的飛行員并不會(huì)聽到音爆。超音速飛行后，飛行員反而會(huì)覺得周圍安靜很多，因?yàn)轱w機(jī)的速度已經(jīng)超過了音速，外部產(chǎn)生的聲音都被拋在了飛機(jī)后面。飛行員只能聽到飛機(jī)本身發(fā)出的聲音，其他的聲音一點(diǎn)都聽不見。因此如果馴鹿在某個(gè)特殊屏障內(nèi)突破音障，并不會(huì)有什么特別的感覺。

看來就算是真的存在圣誕老人，這個(gè)職位也不好當(dāng)，即使有足夠強(qiáng)勁的電子馴鹿能確保禮物能按時(shí)送到，每次出發(fā)還得心平氣和地把自己的坐騎升到萬(wàn)米高空，要是心急趕路，在低空超音速起降，街坊鄰居可得遭殃受罪了。經(jīng)典物理怕是在圣誕老人這行不通。

原文標(biāo)題：賽博圣誕老人飛過天空時(shí)會(huì)震爆電子馴鹿的傳感器嗎？

文章出處：【微信公眾號(hào)：中科院半導(dǎo)體所】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

責(zé)任編輯：haq