Εκκένωση κεραυνού – Κατακόρυφο και πλάγιο κανάλι

Η βροντή δεν είναι ένας μόνο στιγμιαίος ήχος. Διαφορετικά τμήματα ενός εκτεταμένου καναλιού κεραυνού βρίσκονται σε διαφορετικές αποστάσεις από τον παρατηρητή, οπότε ο ήχος από αυτά φτάνει σε διαφορετικές χρονικές στιγμές.

Η βροντή προκαλείται από την ταχεία διαστολή του αέρα που θερμαίνεται κατά την εκκένωση ενός κεραυνού. Όταν πέφτει κεραυνός, θερμαίνει τον αέρα κατά μήκος της διαδρομής του σε θερμοκρασίες που φτάνουν περίπου τους 30.000 Κ.

Αυτή η έντονη θερμότητα προκαλεί την ταχεία διαστολή του αέρα, δημιουργώντας ένα ωστικό κύμα που διαδίδεται προς τα έξω. Καθώς το ωστικό κύμα κινείται μέσα στην ατμόσφαιρα, επιβραδύνεται στην ταχύτητα του ήχου και γίνεται αντιληπτό ως βροντή.

Συγκεκριμένα, πολύ κοντά στο κανάλι έχουμε ένα ισχυρό κρουστικό κύμα, το οποίο διαδίδεται αρχικά με ταχύτητα μεγαλύτερη από την τοπική ταχύτητα του ήχου. Καθώς εξασθενεί, μετατρέπεται σταδιακά σε συνηθισμένο ηχητικό κύμα που διαδίδεται περίπου με την ταχύτητα του ήχου.

Η διαδρομή του καναλιού του κεραυνού είναι συχνά μεγάλη, διακλαδισμένη και ελικοειδής. Αυτή η σύνθετη γεωμετρία έχει ως αποτέλεσμα τα ηχητικά κύματα από διαφορετικά τμήματα του καναλιού να φτάνουν στον παρατηρητή σε διαφορετικές χρονικές στιγμές.

Κατά συνέπεια, η βροντή δεν είναι απλώς ένας μεμονωμένος ήχος (δηλαδή ένα απλό μπαμ), αλλά μια σειρά από κρότους, διαδοχικούς ήχους και βουητά.

Η διάρκεια και ο χαρακτήρας αυτών των ήχων εξαρτώνται από την απόσταση και τη συγκεκριμένη διαδρομή που ακολουθεί ο κεραυνός.

Η μορφή της βροντής επηρεάζεται επίσης από τη γεωμετρία του καναλιού, τις ανακλάσεις, τη διάθλαση του ήχου στην ατμόσφαιρα και την εξασθένηση των υψηλών συχνοτήτων. Γενικά, σε μεγάλες αποστάσεις η βροντή τείνει να ακούγεται πιο παρατεταμένη και με κυριαρχία χαμηλότερων συχνοτήτων.

Η χρονική καθυστέρηση μεταξύ της οπτικής αντίληψης του κεραυνού και της ακουστικής αντίληψης της βροντής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση της απόστασης του κεραυνού από τη θέση του παρατηρητή. Κάθε τρία δευτερόλεπτα καθυστέρησης μεταξύ της λάμψης και της βροντής αντιστοιχούν σε ένα χιλιόμετρο.

Ο χρόνος διάδοσης του φωτός σε αποστάσεις λίγων χιλιομέτρων είναι αμελητέος, οπότε μετράμε ουσιαστικά μόνο τον χρόνο που χρειάζεται ο ήχος για να φτάσει στον παρατηρητή.

Κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας ένας ακίνητος παρατηρητής Π βλέπει μια σχεδόν κατακόρυφη εκκένωση κεραυνού. Το φωτεινό κανάλι εκτείνεται από το σημείο Α, που βρίσκεται κοντά στο έδαφος, μέχρι το σημείο Β, ψηλότερα στην ατμόσφαιρα. Η οριζόντια απόσταση του παρατηρητή από το σημείο Α είναι (ΠΑ) = 2040 m, ενώ το σημείο Β βρίσκεται κατακόρυφα πάνω από το Α σε ύψος (ΑΒ) = 2720 m. Θεωρούμε ότι ο ήχος παράγεται πρακτικά ταυτόχρονα σε όλο το τμήμα ΑΒ του καναλιού και ότι διαδίδεται στον αέρα με σταθερή ταχύτητα  υ_ηχ = 340 m/s. Ο χρόνος διάδοσης του φωτός θεωρείται αμελητέος.

α) Πόσο χρόνο μετά τη λάμψη θα φτάσει στον παρατηρητή ο ήχος που προέρχεται από το σημείο Α;

β) Να υπολογίσετε την απόσταση (ΠΒ) και τον χρόνο που απαιτείται για να φτάσει στον παρατηρητή ο ήχος που προέρχεται από το σημείο Β.

γ) Πόσο χρονικό διάστημα μεσολαβεί μεταξύ της άφιξης των δύο ήχων;

δ) Ο παρατηρητής δεν ακούει έναν στιγμιαίο κρότο αλλά έναν ήχο που έχει κάποια χρονική διάρκεια. Να εξηγήσετε γιατί η μεγάλη και ελικοειδής διαδρομή ενός πραγματικού κεραυνού μπορεί να προκαλεί παρατεταμένη βροντή.

ε) Ο παρατηρητής βλέπει τη λάμψη του κεραυνού πρακτικά ακαριαία, αλλά ακούει τη βροντή αρκετά αργότερα. Να εξηγήσετε γιατί.

ΑΠΑΝΤΗΣΗ

Εκκένωση κεραυνού – Μέρος Β

Κεκλιμένο κανάλι και χρόνοι άφιξης της βροντής

Ένας ακίνητος παρατηρητής Π βρίσκεται στο έδαφος. Κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας βλέπει μια εκκένωση κεραυνού της οποίας το κύριο φωτεινό κανάλι προσεγγίζεται από το ευθύγραμμο τμήμα ΑΒ.

Το κάτω άκρο Α βρίσκεται στο έδαφος και απέχει από τον παρατηρητή Π απόσταση (ΠA) = 1700 m. Το άνω άκρο Β βρίσκεται 1224 m οριζόντια προς την πλευρά του παρατηρητή σε σχέση με το Α και 1632 m ψηλότερα από αυτό.

Θεωρούμε ότι ο ήχος παράγεται πρακτικά ταυτόχρονα σε όλα τα σημεία του καναλιού ΑΒ, ότι διαδίδεται με σταθερή ταχύτητα υ_ηχ = 340 m/s και ότι ο χρόνος διάδοσης του φωτός είναι αμελητέος.

α) Να υπολογίσετε την απόσταση (ΠΒ) του άνω άκρου Β από τον παρατηρητή.

β) Να υπολογίσετε το μήκος (ΑΒ) του καναλιού.

γ) Το Μ είναι το μέσο του ΑΒ. Να βρείτε τις συντεταγμένες του Μ ως προς τον παρατηρητή και να δείξετε ότι (ΠΜ) = 1360 m.

δ) Να δείξετε ότι η ΠΜ είναι κάθετη στο ΑΒ. Τι σημαίνει αυτό για την απόσταση του παρατηρητή από τα διάφορα σημεία του καναλιού;

ε) Από ποιο σημείο του καναλιού θα φτάσει πρώτος ο ήχος στον παρατηρητή και μετά από πόσο χρόνο από τη λάμψη;

στ) Από ποια σημεία του καναλιού θα φτάσει τελευταίος ο ήχος και μετά από πόσο χρόνο;

ζ) Ποια είναι, στο απλοποιημένο αυτό μοντέλο, η χρονική διάρκεια ανάμεσα στην άφιξη του πρώτου και του τελευταίου ήχου της βροντής;

η) Να εξηγήσετε γιατί στο κεκλιμένο κανάλι ο πρώτος ήχος δεν είναι υποχρεωτικό να προέρχεται από το σημείο του κεραυνού που βρίσκεται στο έδαφος.

ΑΠΑΝΤΗΣΗ