Como as oscilações sônicas só ocorrem uma vez na velocidade do som e não várias vezes? [duplicado]

Sua pergunta é:

Why is it that the sonic boom only occurs at the moment the plane crosses Mach 1?

A resposta é: Não é . A lança sônica ocorre primeiro quando o avião cruza Mach 1 e o avião continua produzindo lança sônica, desde que a velocidade fique acima de Mach 1.

Outra parte da sua pergunta é:

How come sonic booms only occur once?

E a resposta é: porque o avião voou sobre você uma vez . Se o avião se virasse e voasse sobre você uma segunda vez, você ouviria dois estrondos sônicos.

Quando você ouve uma explosão sônica, isso não significa que essa lança foi gerada em Mach 1. Significa apenas que a lança foi gerada em velocidades iguais ou maiores que Mach 1. Por exemplo, um avião viajando a Mach 3 ainda produziria um estrondo sônico, mas você ainda ouviria apenas uma vez porque o "boom" só chegaria ao seu ouvido uma vez.

Para entender isso, você precisa entender o que é um boom sônico.

Várias partes do avião geram som. Forme o rugido dos motores a jato ao apito da pele da aeronave se movendo pelo ar.

Ao viajar em velocidade normal subsônica. Esses sons viajam normalmente pelo ar e o que você ouve é um som contínuo de um avião voando.

Ao viajar a uma velocidade igual ou superior à velocidade do som, todos esses sons chegam ao ouvido simultaneamente. Isto é, se normalmente você fosse capaz de ouvir um avião passando por cima por um período de 10 segundos (por exemplo), então a velocidades supersônicas, todos aqueles 10 segundos de sons (rugido do motor, woosh das asas etc.) chegam ao seu ouvido no mesmo momento.

Como todos os sons que você já ouviu no avião chegam ao mesmo tempo, o resultado é um som muito alto (todos os 10 segundos ou mais do som somados).

É por isso que você só ouve uma vez normalmente.

Existem exceções. Se o avião é longo o suficiente, e o nariz e a cauda geram sons altos, é possível experimentar um duplo estrondo sônico causado pela cauda gerando uma segunda lança. Mas geralmente, mesmo um avião muito longo como o 747 ou o A380 (ou Concorde) levaria apenas uma pequena fração de segundo para percorrer o comprimento de seu corpo em velocidades supersônicas. Você provavelmente precisaria de um avião de um quilômetro de extensão para experimentar um duplo boom adequado.

    

Há sempre uma ruptura (isto é, uma perturbação ) no ar por um objeto que viaja através dela. Cada um pode ser visto como uma esfera (ou círculo em um diagrama 2D). Em velocidades abaixo de Mach 1, essas rupturas nunca convergem, ou seja, as esferas nunca se encontram. No entanto, a qualquer velocidade além de Mach 1, eles não viajam mais rápido que a aeronave e são "deixados para trás". Nesse caso, os lados de cada esfera em expansão convergem ao longo de uma forma de cone em uma poderosa onda de choque que percebemos como um estrondo.

^Fonte

A única diferença é que à medida que a aeronave se torna mais rápida, o ângulo da lança sônica em relação ao vetor de direção da aeronave diminui: O cone se torna mais agudo à medida que o espaçamento entre cada esfera imaginária se torna maior. Você nunca pode gerar mais de um boom sônico, já que é uma transição única. (Em uma nota mais complicada, alguns veículos, incluindo o ônibus espacial, puxam dois estrondos sônicos, interrompendo o ar duas vezes)

Você perceberia a mesma coisa com um barco - acima de uma certa velocidade, você geraria uma esteira saindo em duas direções para o lado atrás de você.

^{"Fjordn barco de onda de superfície" por Edmont - próprio trabalho. Licenciado sob CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons}