超音速を実現できるハイテクとは？公園のおじいさんは片手でできますよ！

超音速と言えば何を思い浮かべますか？戦闘機か弾丸か？いずれにしても、かなり力のある奴らが多いんでしょうね？しかし、スーパーソニックの殿堂には、あまり知られていない殿堂入りの人物、アンクル・パークもいます。

はい、その通りです。鞭で遊んでいるこの老人も超音速に達することができますが、スーパーマンのように飛び上がって音速を超えることはありません。その代わりに、彼は手にした鞭を超音速まで加速させます。実際、あなたはこれを以前に見たことがあるはずです。鞭を振るときに聞こえるパチパチという音は、鞭の先端が音速を超えたときに発生するソニックブームです。

では、おじさんは相変わらず同じおじさんで、鞭も普通の鞭なのに、なぜ手を振ると鞭が超音速になるのか、という疑問が湧きます。

実際、原理的には、十分なエネルギーがある限り、超音速は難しくありません。高校時代に物理が得意だったなら、運動エネルギーの公式（Ek=1/2mv2）を覚えているはずです。速度が一定の場合、物体の質量が大きいほど、より多くのエネルギーが必要になります。老人が振り回した鞭は、鞭全体が音速を超えたわけではなく、鞭の尾のごく一部だけが音速を超えた。鞭尾の質量は非常に小さいため、音速を超えるために必要なエネルギーはそれほど多くありませんでした。老人はただ手を振るだけでこのエネルギーを与えることができた。

小さな尻尾を超音速に到達させるために必要なエネルギーはそれほど大きくないのに、なぜ小さな尻尾だけを投げれば超音速で投げることができず、鞭につけて振り回さなければならないのでしょうか。

これにはエネルギー伝達の問題が関係します。小さな尻尾を握って投げるだけの場合、運動エネルギーの公式 (Ek=1/2mv2) によれば、小さな尻尾が得るエネルギーは、その質量に腕を振る速度の 2 乗を掛け、それを半分に掛けた値だけになります。小さな尻尾は質量が小さく、あまり速く振ることができない為、当然エネルギーが不足します。実際、考えてみれば、何かを超音速で投げたい場合、まず第一に私たちの手が何かを超音速で投げることができなければならないことがわかりますが、それは明らかに不可能です。

鞭が小さな尾を超音速に飛ばせる理由は、鞭が一度だけ「投げられる」のではなく、常に「投げられ」続け、自らを加速させているからです。

まず、鞭全体の質量は小さな尾の質量よりもはるかに大きいため、同じ速度でより多くのエネルギーを得ることができます。鞭を振るうと、鞭の先端の速度が徐々に低下し、すべてのエネルギーが前方に伝わります。鞭を、たくさんの小さな部分でできた長い鞭だと想像すると、鞭のそれぞれの小さな部分が全力で前部を前に投げ、一緒に投げられるたびに前部のスピードが少しずつ速まり、あなたが私を投げ、私が彼を投げるという感じになります。結局、鞭はどんどん速く振られるようになり、鞭の運動エネルギーはすべて小さな尻尾に集中しました。さて、この小さな尻尾ですが、質量は非常に小さいですが、鞭全体で運動エネルギーが集められるため、当然スピードは超高速です。

鞭が超音速で飛ぶときになぜパキパキという音がするのか、それは音の伝播に関係しています。鞭が超音速に達する前に、実際に音波を発します。湖の水面を水の波がゆっくりと広がるのと同じように、これらの音波も空気中に広がります。音波が伝わる速さが音速です。

鞭が動くと、新たな音波が生成されます。鞭を片側に振ると、こちら側の後続の音波が前の音波と一緒に圧縮され、どんどん密度が高くなります。これは、ボートをゆっくり漕ぐときに、ボートの前方に水の波が何層にも重なるのと同じです。鞭の視点から見ると、これらの音波は鞭の前で遮られます。それぞれの音波には一定量のエネルギーがあります。たくさんの音波が集まると、エネルギーに満ちた音波の壁が形成されます。

鞭が音速を超えた時、それは壁を一気に突き破ったのと同等であり、蓄積されたエネルギーが爆発し、巨大な騒音を発生させた。

最後に科学的な観点からまとめてみましょう。次に片手で超音速で走れる老人を見たら、きっと畏敬の念を抱くでしょう。高齢者を敬う問題が科学的に解決されました！

著者: 問題班

査読者：中国科学院物理研究所研究員 羅慧謙

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司