對于鞭子，大家一定不會陌生。它可以用來驅(qū)趕牲畜，也可以作為一種武器來使用。而如今，鞭子更是成為了一種健身工具，被人們稱之為“響鞭”。

來源｜百度百科

響鞭源自河南，是一種風(fēng)靡民間的健身運(yùn)動。彎腰，收肩，舉臂，一抖手腕，一甩鞭梢，鞭子便會在空中發(fā)出“啪”的一聲，響徹四周。但你知道嗎，大爺們每次甩鞭，竟然可以甩出超音速?。窟@又是怎么一回事呢？

1. 什么是音爆？

首先，我們需要知道柔軟的鞭子是如何在空中發(fā)出聲音的，這來自于一個奇特的物理現(xiàn)象——“音爆”。“音爆”，如果單獨(dú)從字面意思上看，是“聲音爆炸”，但實(shí)際上，要想了解“音爆”，我們還要先知道“音障”是何物。

“音障”，可以簡單理解為一道屏障，但這道屏障存在于空氣中，用肉眼無法看見的。任何物體（包括聲音）在空氣中傳播時都會受到一定的阻力，物體運(yùn)動的速度越大，這種阻力就越大，以至于可以在空氣中形成一道屏障，阻礙物體的加速前進(jìn)。

以飛機(jī)為例，當(dāng)飛機(jī)速度接近聲速時，阻力突然增大，會出現(xiàn)操作失常、自發(fā)栽頭的現(xiàn)象。同時，飛機(jī)的速度也不能再進(jìn)一步提高。人們曾認(rèn)為聲速就是飛機(jī)速度的極限，達(dá)到聲速后，飛機(jī)就面臨著一道無形的空氣屏障，故稱這個現(xiàn)象為“音障”或“聲障”。

飛機(jī)突破音障

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當(dāng)我們朝水里扔一塊石頭時，水面上就會出現(xiàn)以石頭落水點(diǎn)為中心的一圈圈漣漪，聲音的傳播亦是如此。聲音在空氣中以波的形式傳播，任何聲音都是以發(fā)聲體為中心，一圈一圈不斷擴(kuò)大向四周傳播。

聲波演示

來源｜維基百科

如果發(fā)聲體固定不動且傳聲介質(zhì)是完全均勻的，那聲波傳遞的形式就會是規(guī)則的同心圓，但當(dāng)發(fā)聲體開始移動并不斷加速時，發(fā)聲體周圍的聲波就會呈現(xiàn)出一個錐形的立體聲波能量場。如果新產(chǎn)生的聲波與之前的聲波進(jìn)行疊加，聲音也會變得更大。

而如果將適用范圍擴(kuò)大至所有的波（光波、聲波、水波等），就形成了著名的多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)是指物體所發(fā)出的波隨著物體或觀察者的運(yùn)動而不斷變化的現(xiàn)象。在運(yùn)動的波源前面，波受到壓縮，使波長變短，頻率變高；反之，波源后的波長會變長，頻率會變低。就像一輛車從遠(yuǎn)處駛來，你聽到的聲音響度是遞增的，這就是聲波被壓縮、疊加的結(jié)果。

多普勒效應(yīng)

來源｜騰訊網(wǎng)

當(dāng)飛機(jī)達(dá)到超音速時，作為發(fā)音體的飛機(jī)已超過了聲音的傳播速度，周圍空氣被高度擠壓，在突破音障時，大量的能力集中爆發(fā)，從而形成了強(qiáng)烈的爆炸聲，這就形成了音爆。

音爆成因

來源｜《What Is a Sonic Boom_ And How It Breaks Every Rule You Know》

所以人們發(fā)現(xiàn)，只要當(dāng)物體的速度足夠快，以至達(dá)到超音速后，物體就可以沖過這道屏障。與此同時，物體周圍也會產(chǎn)生一個強(qiáng)烈的沖擊波，聽覺上我們可以聽到“啪”的爆炸聲，視覺上有時還能看到一團(tuán)錐形云。

人們第一次發(fā)現(xiàn)音爆是在1947年，美國飛行員駕駛著X-1型飛機(jī)以每小時1278公里的速度在空中飛行。隨著一聲巨響和一團(tuán)云霧，人類第一次突破了音障，而這位飛行員也是人類歷史上第一個超越聲音的人。

突破音速的美國飛行員

來源｜《Chuck Yeager Breaks the Sound Barrier -- X-1 -- 1947》

(資料圖片僅供參考)

2. 皮鞭甩出超音速

一根小小的皮鞭，經(jīng)過一套專業(yè)的動作之后，皮鞭的鞭梢部分也會聚集大量的能量，它的速度往往可以達(dá)到聲速的兩倍，這種現(xiàn)象正是“音爆”。

甩鞭

來源｜《Smarter Every Day》視頻截圖

但產(chǎn)生巨響并不僅僅是鞭梢的功勞。近期，科學(xué)家通過數(shù)學(xué)模型分析，發(fā)現(xiàn)鞭子甩動過程中會在運(yùn)動方向上形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，而這一結(jié)構(gòu)在以音速運(yùn)動時也可以產(chǎn)生聲震。當(dāng)鞭子環(huán)狀結(jié)構(gòu)運(yùn)動速度處于音速時，鞭梢的速度能達(dá)到音速的數(shù)倍，加大聲音的響亮程度。

也許廣場上的甩鞭大爺們并不知道，他們竟離超音速如此之近，手中的皮鞭也能夠突破音障了，真的是高手在民間呀！不過也正是因?yàn)檫@樣，甩鞭子的運(yùn)動有些危險(xiǎn)，運(yùn)動時一定要留心周圍人群和環(huán)境。

標(biāo)簽： 多普勒效應(yīng) 突破音障 適用范圍