ודאי שמעתם פעם רעש עז שנשמע כמו פיצוץ ומישהו אמר שזה קרה בגלל בום על קולי, של מטוס חיל האוויר, נכון? - אז זהו, שלא פעם מטוס יכול לטוס כל כך מהר שהוא מייצר רעש כזה.

בום על קולי (Sonic Boom) מתרחש כשאובייקט כלשהו עובר את מהירות הקול. לא רק מטוסים יכולים לייצר בום על קולי כזה. גם רובים מסוימים ואפילו שוט שמכה באוויר במהירות מייצר את הבום העל-קולי שלו.. ואגב, המטוס משמיע את הבום הזה כל זמן שהוא מעבר למהירות הקול ולא רק ברגע המעבר של מהירות הקול.

ההסבר: כמו סירה ששטה יוצרת סביבה גלים קטנים וכשהיא מאיצה הגלים מצטופפים מלפניה ומתרווחים מאחוריה. אם היא תעבור את מהירות הגלים ותשיג אותם, הגלים יתאחדו מאחריה בשובל וייצרו גל די גדול בצורה של V. במטוס שמשמיע קול התופעה דומה - כשהוא עובר את מהירות הקול, עוברים גלי הקול שבאוויר ויוצרים צורת חרוט מאחריו. אגב, איננו יכולים לראות את החרוט הזה - התמונות עם הענן החרוטי שמאחרי המטוס מראות ענן התעבות קטן שהוא תוצאה של לחץ-אוויר נמוך. אבל כשאנחנו נשמע את הגל הזה, הוא יגיע אלינו בצורת בום. זהו הבום העל קולי.

הבומים העל-קוליים הללו הם תופעה פיזיקלית מדהימה והם יכולים לגרום גם להדף שינפץ חלונות. לכן אסור לטייסים לעבור את מהירות הקול באזורים מיושבים, בזמן שלום.


כך הביס בום על קולי את הצבא העיראקי בקרב (בעברית):

https://youtu.be/sGoIcrMNsxc


והנה ההסבר של בום על-קולי (מתורגם):

https://youtu.be/JO4_VHM69oI


כך זה קורה:

http://youtu.be/XmDVvGNtgMg


מצגת וידאו שמסבירה את תופעת הבום העל קולי:

http://youtu.be/-d9A2oq1N38


התעבות האוויר מאחרי המטוס. היא דומה לבום על-קולי אבל בניגוד לו, ניתן לראותה בצילומים:

https://youtu.be/6B4IVcCuIZE


ובואו לתא הטייס של מטוסי הקרב הללו:

http://youtu.be/NdZ02-Qenso?qr=yes

בהתקפת חיל האוויר הישראלי על איראן נמסר שמטוסי הקרב השמיעו בומים על-קוליים (Sonic Booms) מעל ערי האויבת הסף גרעינית של ישראל. כי בום על קולי, כולם יודעים, יכול מאוד להבהיל. אפשר להכיר אותו, אגב, בתגית "בום על-קולי".

אבל האם בומים על קוליים יכולים להיות גם הרסניים ולשמש ממש ככלי נשק?

נזכיר שהבום העל-קולי הוא תופעה פיזיקלית שמתרחשת כשעצם נע במהירות גדולה יותר מזו שבה גלי הקול מתפשטים באוויר. בומים על קוליים הם תוצאה של טיסה על-קולית, המתרחשת כשמטוס חורג ממהירות הקול, מהירות של כ-767 מיילים לשעה או 1,234 קמ"ש בגובה פני הים.

בום על-קולי שכזה יוצר רעש חזק ונפיץ. הרעש הזה הוא למעשה גל קול חזק וחד מאוד שיכול להזיק מאוד לאוזניים ואפילו למבנים מסביב. בתנאי שלום נחשבים בדרך כלל הבומים העל-קוליים למטרד ולמעט בטיסות ניסוי מיוחדות ובפעולות צבאיות נאסרות טיסות על-קוליות מעל היבשה.

יש חוקרים ואפילו מדענים שבוחנים את האפשרות האקוסטית להשתמש בו בהקשרים צבאיים שכאלה. ככלי הרתעה והפחדה הוא משמש כבר שנים רבות, בידי צבאות שונים.

בנוסף, בומים על-קוליים אכן נבחנו במקומות שונים בעבר כאמצעי לחימה. אך הם מעולם לא נעשה בהם שימוש מעשי נרחב. ככל הידוע, במהלך המלחמה הקרה חקרו גם בצבא ארצות הברית וגם בצבא האדום, צבא ברית המועצות, את הפוטנציאל והאפשרויות האקוסטיות להשתמש בבומים על קוליים בלוחמה, תוך התמקדות בהשפעות הגופניות-פיזיולוגיות של גלי קול עוצמתיים על בני אדם.

במחקרים צבאיים אלו התגלה שבום על-קולי יכול לגרום לתופעות כמו סחרחורת, בחילה, כאבי ראש חמורים ואפילו אובדן שיווי משקל.

ובכל זאת, השימוש בבום על-קולי בתור כלי נשק, או לפחות ככלי שניתן לפגוע באמצעותו באויב, מעורר שאלות משפטיות ואתיות-מוסריות, שאלות מורכבות הדורשות בדיקה זהירה.

בנוסף, יישום מעשי מלא כנשק נתקל באתגרים טכנולוגיים משמעותיים בשליטה ובדיוק. מכאן למדו החוקרים והמדענים שהפוטנציאל האקוסטי של גלי הקול המייצרים בומים חזקים מעניינים יותר כאמצעי הרתעה, הפחדה וסינון קהל מאשר ככלי הרס ישיר. לכן מטוסים אינם משתמשים בדרך כלל בבומים קוליים כנשק או כלי לחימה בקרב.

המחקר המתקדם בתחום זה ימשיך מן הסתם לחקור את הגבולות הטכנולוגיים והאתיים של טכנולוגיות גלי קול כאלה וינסה גם בעתיד למצוא דרכים זולות והרסניות פחות, אך יעילות, לנצח את האויב בשדה הקרב.


כך הביס טייס בריטי את חיילי עיראק עם בום על קולי (עברית):

https://youtu.be/sGoIcrMNsxc


כך זה קורה:

http://youtu.be/XmDVvGNtgMg


מבלי להתכוון לכך, מטוס "צווחת הרעם" יצר בום על קולי מפוצץ מוחות שהדגים את הרעש ככלי נשק (עברית):

https://youtu.be/9acmcGABiNM


וכך זה נראה מתא הטייס של מטוסי קרב:

http://youtu.be/NdZ02-Qenso?qr=yes

קרינת צ'רנקוב (Cherenkov Radiation) היא הקרינה שנפלטת כשחלקיק נע במהירות גדולה יותר מהמהירות של האור שאותו הוא יצר. מדובר באפקט מקביל מתחום האור, לבום על-קולי.

ההסבר של קרינת צ'רנקוב ממש מזכיר את ההסבר של בום העל-קולי: נניח שאלקטרונים נעים בכור-גרעיני או במאיץ-חלקיקים. האלקטרונים הללו יוצרים גלי-אור (גלים אלקטרומגנטיים).

אם האלקטרונים נעים בשלב כלשהו מהר יותר מגלי-האור שהם יוצרים, מה שיכול לקרות אם החומר שבו הם נעים מקטין את מהירות גלי-האור והם נעשים איטיים יותר מהאלקטרונים, במקרה כזה הם יפיקו "בום" של אור שזכה לשם "קרינת צ'רנקוב".

הקרינה הזו קרויה על שם הפיזיקאי פאבל צ'רנקוב. הוא שהסביר אותה לראשונה בשנת 1934 ואף זכה בפרס נובל לפיזיקה על תגלית זו.


הנה סרטון הסבר לקרינת צ'רנקוב:

http://youtu.be/x4Ir6E4IG64


ומבט אל הליבה של הריאקטור - היא האור הכחול שמאיר בחשיכה ואין שם נורה כלשהי שיוצרת אותו:

http://youtu.be/2hQ2W45vY-Q

השלדג (Kingfisher) הוא ציפור שמתמחה בלהביט למים ולהמתין לדגים. כשהוא רואה דג, מסתער עליו השלדג ולוקח אותו מהמים. הוא עושה זאת במהירות אדירה וכמעט בלי להתיז מים ברגע הפגיעה בהם, עם הנחיתה מלמעלה. למה זה חשוב? - מיד תבינו...

אולי תתקשו להאמין אבל מהשלדג למדו מהנדסי רכבות כיצד לייצר רכבות מהירות במיוחד. זה קרה כשמהנדס הרכבת יפאני, שהיה גם צפר חובב, צפה בשלדג בעת הצלילה שלו לתוך המים ושם לב למשהו שצפרים רבים ראו, אבל איש לא הבין כמוהו.

הוא שם לב שכניסת השלדג לתוך המים, היא חלקה לגמרי וכמעט ואינה מייצרת גל רעש. השלדג חייב את השקט היחסי הזה, בעת הפגיעה במים. המהנדס החליט לחקור מה מיוחד במבנה גופו של השלדג ושמאפשר לו לשמור על מים שקטים יחסית, למרות שהוא עובר מתווך אחד לאחר, מהאוויר אל המים.

די מהר הוא הבין שהדבר דומה למעבר של רכבת שיוצאת ממנהרה אל האוויר הפתוח. המעבר הזה, במיוחד כשמדובר ברכבות מהירות במיוחד, מייצר חיכוך שמהווה בעיה ואף סכנה במהירויות כה גבוהות, כמו אלה של רכבות הקליע היפאניות. תובנה זו של המהנדס החכם הובילה אותו לחקור את מבנה גופו של השלדג ובמיוחד את צורת המקור שלו ולתכנן מחדש את צורתו של קטר הרכבת על בסיס מקור השלדג. הרכבות הללו מהירות ובטוחות בזכות הלמידה מהשלדג, הרבה יותר.

לשמו זכה העוף הזה כמובן, בזכות דרך השגת המזון שלו - קוראים לו "של-דג" כי הוא שולה מהמים, כלומר מוציא, דגים מתוך המים.


מהנדסי הרכבות שלמדו מהשלדג כיצד לתכנן רכבות שקטות (מתורגם):

https://youtu.be/iMtXqTmfta0


הנה השלדג:

https://youtu.be/1CsyenHROSE


שיטת הציד של השלדג:

https://youtu.be/6YRM0sy3xIY


כך הוא גם לוכד לטאות ובעלי חיים אחרים:

https://youtu.be/laio6NW-PMs


כשהוא צד או לא, השלדג בכל מקרה הוא עוף יפה להפליא:

https://youtu.be/xX9J-lVUQd0


וזה הפך את השלדג ל"נער הפוסטר" של הביומימיקרי:

https://youtu.be/pynSWVdphH4

הרעמים הם דוגמאות טבעיות להיווצרות של חשמל בטבע. מטען חשמלי שעובר בין העננים גורם לעיתים לפיצוץ חשמלי, שאנו רואים היטב והוא הברק.

גלי האוויר הלוהטים שנגרמים מהפיצוץ הזה מתנפצים ברעש אדיר ויוצרים רעש פיצוץ שאנו קוראים לו רעם.

גם בבית עלול להיווצר לעיתים קצר חשמלי. פעמים רבות, גם בבית וכשהקצר החשמלי גדול, הוא דומה לברק ונשמע כמו רעם קטן. יש בו רשף של אור ורעש של פיצוץ זעיר.

מכאן אנו לומדים שככל שהפיצוץ הוא גדול, הרעש של הרעם שהוא יוצר יהיה גדול ומפחיד יותר.


הנה הסבר על הרעם:

http://youtu.be/0RpNuXP7XBw?t=3s


הרעם בהקשר של הברק (מתורגם):

http://youtu.be/HkSWuoF9_NM


ומטוס "צווחת הרעם" שיצר בום על קולי שלא נגמר וליטרלי פוצץ מוחות של אנשים (עברית):

https://youtu.be/9acmcGABiNM

ראיתם פעם זמרת אופרה שוברת כוס כשקולה מגיע לגבהים? - ובכן, התופעה היא אקוסטית, כלומר פיזיקלית. שבירה של כוס בעזרת הקול נגרמת מכיוון שהתדר הקולי של הקול של הזמרת זהה לתדר של הזכוכית. בדרך כלל זה קורה בתדירות גבוהה של זמרות סופרן (הקול הגבוה ביותר), אחרת כוסות היו נשברות עוד במפעל...

הצליל של הכוס הוא הצליל שנשמע אם נקיש בעדינות על הכוס. הוא התדירות הטבעית שלה והוא מכונה גם "תדר התהודה" (רסוננס). אם נשמיע את אותו הצליל בדיוק, ליד הכוס (לא חזק מדי!) הוא יגרום לה לרעוד.

לכל חומר בטבע יש תדירות טבעית, אבל כשהוא חומר שביר כמו זכוכית, הוא בהחלט נשבר אם הרזוננס חזק מדי. גלי הקול, שהם תנודות באוויר, מרעידים את הכוס ויוצרים בה גלים עומדים, כשחלק ממנה מתנודד ורועד וחלק לא. התנודות הללו יכולות לגרום לשבירת כוסות חלשות.

אגב, זה קורה לא רק לכוסות וזמרות סופרן.. גם מטוסים העוברים את מהירות הקול יכולים באותה צורה לשבור חלונות של בתים, כשנוצר גל הדף, מעין צונמי של גלי קול באוויר, שנקרא "בום על קולי" וכדאי לראות בתגית "בום על-קולי".


הנה ילד שבדק אם יוכל לשבור ספל בקולו:

https://youtu.be/sH7XSX10QkM


הנה ההסבר של התופעה:

https://youtu.be/NcarKUq1zq0


ובאנגלית:

https://youtu.be/Ude8pPjawKI?t=1m01s


והנה רזוננס ממכשיר ששובר כוס זכוכית:

https://youtu.be/17tqXgvCN0E

בשנת 1964, כשהוצגה לראשונה רכבת הקליע (Bullet Train) לעולם, היא נחשבה לניצחון ענק של ההנדסה היפנית וההנדסה האנושית בכלל. אבל די מהר הסתבר שהשבחים והמחמאות היו מעט מוקדמים מדי. כשהרכבות הללו החלו לפעול התגלה פגם תכנוני משמעותי שקשור בחיי העיר הגדולה.

הבעיה הייתה עם המנהרות של הרכבות, שעברו מתחת לשכונות רבות בטוקיו ובערי יפן האחרות. מנהלי הרכבת זכו ליותר ויותר תלונות על הרעש הנורא שמייצרת רכבת הקליע, בכל פעם שהיא יוצאת מהמנהרה, במהירויות גבוהות שמעל 320 קילומטר לשעה.

הרעש הזה, של בום המנהרה, נשמע כמו פיצוץ אדיר ובלתי נסבל, במיוחד למי שהתגוררו בשכונות הסמוכות לאותן יציאות של המנהרות, אך גם למי שמתגוררים עד חצי קילומטר מהמקום.

רעשי הפיצוצים הללו לא היו משהו שרכבת אמורה לגרום לתושבי העיר. היה ברור שצעד כמו האטה של רכבת הבולט בתוך מנהרות, הוא לא הפתרון. ממשלת יפן הגדילה וקבעה מגבלת רעש של 70 דציבל, כדי למנוע רמות זיהום רעש נוספות.

ממה נגרם רעש הפיצוץ?

הרעש הזה נגרם מלחץ האוויר שנוצר במנהרה בזמן נסיעת רכבת הקליע. כי בנסיעתה המהירה הרכבת דוחפת אוויר לאורך המנהרה הסגורה. תוך כדי נסיעה מהירה כל כך, היא מגדילה מאוד ובאופן הולך וגובר את לחץ האוויר. כשהיא מגיעה לקצה המנהרה הלחץ הזה משתחרר החוצה בצורה של בום קולי, ממש כמו הבום העל-קולי שגורם מטוס כשהוא עובר את מהירות הקול.

הפתרון נמצא כ-30 שנה אחר כך. זה היה כשאחד המהנדסים שהיה צפר, אייג'י נקטסו, חשב על רעיון - בהשראת הטבע. נקטסו היה, כאמור, צפר חובב ציפורים, שאוהב לצפות בהם בטבע. הוא צפה בשלדגים (Kingfisher), בעת שהם צדים את הדגים שבמים. הוא שם לב שהם מצליחים להפתיע את הדג הניצוד, על אף שהם צוללים למים במהירות גבוהה מאוד.

המהנדס החכם הבין שמבנה המקור המחודד של השלדג הוא שמאפשר לו להכניס את הראש למים, כשהוא בא במהירות עצומה של מעוף אל תוכם, כשהוא לא מתיז יותר מדי מים ולא מחולל רעש שיבריח את הדג. אייג'י נקטסו קיבל השראה ממבנה המקור של השלדג וחשב שניתן ליישם אותו ברכבת ולפתור את נושא הרעש ביציאה מהמנהרות.

לאחר שחקרו את הרעיון הוא ועמיתיו המהנדסים, הם אכן עיצבו מחדש את חזית רכבת הקליע. האף שלה הפך דומה לזה של השלדג, שיפר ובהמשך הציע תוצאות רעש טובות הרבה יותר ודי מהר פתר את בעיית הרעש המעיקה של רכבות שינקנסן (Shinkansen), שמן היפני של רכבות הקליע המהירות.

על הדרך, אגב, הגדיל השינוי גם את היעילות האנרגטית של הרכבת. כך למשל הפחית השינוי במבנה חזית הקטר את צריכת האנרגיה של רכבת הקליע, ב-15%. בזכות השינוי יכולים היו המהנדסים גם להגדיל את מהירותה בסביבות 10%.

בסופו של דבר, מספרים מהנדסי הרכבת שמאז הפכה עבורם הלמידה מהטבע לעיקרון מוביל ונוכח בכל עבודתם. הם שיפרו בזכותו גם רעשים בגג הרכבת, שיצר מגע הפנטוגרף בכבלי החשמל ומהחיכוך עם האוויר. הפתרון הפעם נלקח מהנוצות המשוננות של דורסי לילה, שמאפשרות להם את המעוף השקט וההכרחי לציד לילי.


קודם כל נכיר את השלדגים - הדייגים של הטבע (עברית):

https://youtu.be/rkoPyafrGZo


כך למדו המהנדסים ביפן מהשלדג איך להקטין את הרעש של רכבת הקליע:

https://youtu.be/poNUiJ7x2CE


תלמידים מסבירים כיצד יישמו את הרעיון ברכבות הקליע:

https://youtu.be/KciBnSf8CmU


רכבות השינקנסן, רכבות הקליע של יפאן:

https://youtu.be/F2q9vXLHrmE


וסרטון מקיף על השלדג ש"לימד" את המהנדסים להנדס:

https://youtu.be/4SY3SX1eDU8?long=yes