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Zahlen, bitte! Über 343,2 Meter pro Sekunde – die Überwindung der Schallmauer
Überschallflüge wären seit dem Jet-Zeitalter fast zur Regel geworden, gäbe es nicht den Überschallknall. Die NASA will ihn in den Griff bekommen.
Man ist bei schönstem Wetter draußen unterwegs und ahnt nichts: Plötzlich erlebt man einen oder gar zwei ohrenbetäubende Knalle wie unsichtbare Kanonenschläge. Im betroffenen Gebiet setzen daraufhin oftmals verunsicherte Bürger Notrufe ab.
In dieser Rubrik stellen wir immer dienstags verblüffende, beeindruckende, informative und witzige Zahlen aus den Bereichen IT, Wissenschaft, Kunst, Wirtschaft, Politik und natürlich der Mathematik vor.
Schuld daran sind Überschallflüge. Erst recht mit der angespannten Sicherheitslage nehmen diese Lärmereignisse zu, wenn etwa eine Alarmrotte von zwei Kampfflugzeugen aufsteigt und in den Überschallflug übergeht, um schnell eine unklare Flugsituation zu klären oder die Luftsicherheit wiederherzustellen. Doch wie entsteht ein Überschallknall?
Die Machzahl ist die Geschwindigkeit eines Körpers im Verhältnis zur Schallgeschwindigkeit. Dabei ist die Schallgeschwindigkeit von der Temperatur abhängig: Bei trockener Luft und 20 °C beträgt Mach 1 eine Geschwindigkeit des Flugzeugs von 343,2 Metern pro Sekunde oder 1235,5 km/h.
Eine McDonnell Douglas F/A-18, um die sich im transsonischen Flug eine Wolkenscheibe bildet: Sie entsteht durch lokalen Druckabfall in der Strömung um das Flugzeug, wenn die Luftfeuchtigkeit hoch genug ist. Mit dem lokalen Druckabfall kondensiert Wasserdampf schlagartig und bildet eine kegelförmige Wolke.
Der Schall ist dabei eine Druckwelle, die von aneinanderstoßenden Luftmolekülen übertragen wird. Je kälter die Luft ist, umso langsamer wird der Schall übertragen. So sinkt bei –50 °C in Reiseflughöhe von 10.000 Metern die Schallgeschwindigkeit auf 299,4 Meter pro Sekunde oder 1077,8 km/h.
Wenn sich das Flugzeug unterhalb der Schallgeschwindigkeit bewegt, breiten sich die Schallwellen gleichmäßig in alle Richtungen aus. Je näher das Flugzeug der Schallmauer kommt, umso stärker staut sich die Luft vor dem Flieger: Die Schallwellen können dem Flugzeug kaum noch vorauseilen, sie überlagern sich und bilden eine Druckwelle.
Die Überwindung der Schallmauer erzeugt einen machschen Kegel. Dabei breitet sich eine Schockwelle aus, die, sobald sie den Zuhörer erreicht, den charakteristischen Knall erzeugt. Bei größeren Flugzeugen kann zudem ein Doppelknall entstehen: Bug- und Heckschockwelle sind dann im Abstand von bis zu einer halben Sekunde als zwei getrennte Knalle zu hören. Der Pilot kann den Knall übrigens nicht hören: Schließlich bewegt er sich schneller als der Schall.
Ein Missverständnis betrifft aber den Begriff „Schallmauer durchbrechen“: Die Schockwelle entsteht durchgehend, wenn das Flugzeug sich im Überschallflug befindet, und nicht nur in dem Moment, in dem es erstmals die Schallmauer durchbricht.