Schallmauer-Geschwindigkeit - Überschall einfach erklärt

Schallmauer - was ist das eigentlich?

• Eine Schallquelle, egal ob es sich dabei um eine Sirene, eine Stimmgabel oder einen lauten Motor handelt, sendet normalerweise in regelmäßigen Zeitabständen kugelförmige Schallwellen aus, die sich um den Sender herum ausbreiten.
• Dabei wird Luft, das Trägermaterial der Welle, periodisch zusammengedrückt und verdünnt. Stellen mit erhöhtem Luftdruck nennt man Wellenberge oder -kämme, Stellen mit erniedrigtem Luftdruck heißen entsprechend Wellental, ganz entsprechend den Anhöhen und Mulden bei einer Wasserwelle.
• Die Geschwindigkeit von Schallwellen in Luft hat Werte um 1200 km/h, je nach Temperatur und Luftdruck.
• Bewegt sich der Schallsender, so werden die Abstände zwischen den ausgesandten Wellenbergen immer kürzer - vor dem Sender erscheint die Welle gepresst, hinter ihm gestaucht. Dieser Effekt ist übrigens auch als Dopplereffekt, beispielsweise beim Martinshorn bekannt: Die Tonhöhen unterscheiden sich, abhängig davon, ob das Auto auf Sie zukommt oder von Ihnen wegfährt. 
• Was aber, wenn der Sender sich mit der gleichen Geschwindigkeit bewegt wie der Schall selbst? Dieser Fall lässt sich kurioserweise an schnell schwimmenden Enten (vgl. Foto)  beobachten, die größere Geschwindigkeiten schwimmen können als die Ausbreitunggeschwindigkeit von Oberflächenwellen auf dem Wasser: Vor dem bewegten Entenkörper entsteht ein Schwall, der sich nach hinten als Keilwelle fortsetzt; eine Stoßfront lässt sich gut erkennen. 


Wie entsteht ein Überschallknall?

Der Überschallflug geht mit dem interessanten Phänomen des sogenannten Wolkenscheibeneffekts …

• Wenn Flugzeuge (und einige Modelle können das) sich der Schallgeschwindigkeit nähern, werden auch bei ihnen die Abstände zwischen den Wellenbergen unmessbar klein. Fliegen sie dann schneller als die Wellenausbreitung,  entfliehen sie praktisch den von ihnen abgegebenen Wellenbergen, die als Stoßfront zurückbleiben (so wie bei der Ente). Im akustischen Bereich spricht man von Überschallgeschwindigkeit; die abgegebenen Wellenfronten bilden einen Kegel höchst verdichteter Luft, der vom Sender - in unserem Fall ein Flugzeug - wie eine Art Schleppe hinter sich hergezogen wird.
• Nach dem Physiker Ernst Mach, der sich Ende des 19. Jahrhunderts mit solchen Überschallphänomenen beschäftigte, wird diese Wellenschleppe als Mach-Kegel bezeichnet. Sein Öffnungswinkel fällt umso kleiner aus, je schneller sich der Sender bewegt.

Überschallknall - so entsteht er

• Die Wellenberge dieser Schallfront liegen zeitlich so dicht beieinander, dass sie, wenn sie das Ohr erreichen, nicht mehr einzeln aufgelöst werden können, Sie hören einen Knall.
• Die Auswirkungen sind bekannt, vor allem von den Überschallflügen der Militär- oder Kampfmaschinen über bewohntem Land, als diese (noch) erlaubt waren: Sobald ihre Geschwindigkeit die Schallgeschwindigkeit in Luft überschritt, bildeten sich solche extrem dichten Schallkegel aus, die die Erdoberfläche treffen
• Es „rumst“, je nach Entfernung mehr oder weniger laut. Allerdings erstaunt, dass man das „Durchbrechen der Schallmauer“, wie das Phänomen genannt wird, oft zweimal sehr kurz hintereinander hört.
• Grund ist, dass das Flugzeug selbst wie ein zweifacher Schallsender wirkt: Vor seinem Bug komprimiert es die Luft extrem, hinten am Heck hat man eine extreme Luftverdünnung. Dementsprechend bilden sich zwei Druckwellen aus, deren zeitlicher Abstand nur wenige hundertstel Sekunden beträgt. Es „rumst“ also zweimal. 

Gerade über den Begriff der „Schallmauer“ gibt es jedoch die abenteuerlichsten Vorstellungen. Auch wenn man umgangssprachlich von einem „Durchstoßen der Schallmauer“ spricht, darf man sich diesen Sachverhalt keinesfalls wie eine gegenständliche, ja fassbare Barriere vorstellen, die mit einem lauten Krachen durchbrochen wird.

Bei dem Knallereignis handelt es sich um eine aus vielen einzelnen Schallwellen zusammengesetzte Stoßwelle, die ein Überschallflugzeug in Form eines Kegels „nachschleppt“ und dabei die Erde „überstreicht“. Wenn der Kegel auf den Boden auftrifft, entsteht zunächst ein gewaltiger Druckanstieg, gefolgt von einem gravierenden Druckabfall.

Wenn Sie sich gerade an dieser Stelle befinden, hören Sie einen Knall. Währenddessen schreitet jedoch die Stoßwelle entlang der Flugroute fort, sodass sie einen weiteren Empfänger in einiger Entfernung erreichen kann. Dieser hört dann ebenfalls einen Knall, allerdings zeitlich verzögert.  

Übrigens: Auch ein Maß für Geschwindigkeiten in diesem Überschallbereich ist nach dem Physiker Mach benannt. Die Machzahl gibt das Verhältnis der Geschwindigkeit des Senders zur Schallgeschwindigkeit im umgebenden Medium wieder. Sie dient zur dimensionslosen Angabe von Geschwindigkeiten schneller Flugzeuge: Mach 2 bedeutet also, dass das Flugzeug mit doppelter Schallgeschwindigkeit fliegt.