Im Physikunterricht haben wir uns mit der Lichtgeschwindigkeit und ihrer Konstanz beschäftigt. Faszinierend daran ist, dass sich Licht im Vakuum immer mit derselben Geschwindigkeit von 299'792,458 Kilometern pro Sekunde bewegt. Dies gilt unabhängig davon, ob sich die Lichtquelle, der Beobachter oder beide bewegen. Beim Schall ist dies jedoch nicht der Fall. Schall breitet sich nicht im Vakuum aus, sondern benötigt ein Medium wie Luft, Wasser oder Metall, um sich als Welle "fortbewegen" zu können. Seine Geschwindigkeit hängt stark von den Eigenschaften dieses Mediums ab. Je nach Dichte oder Temperatur verändert sich die Geschwindigkeit. In der Luft beträgt die Schallgeschwindigkeit bei 20 Grad Celsius rund 343 Meter pro Sekunde oder anders gesagt 1'234,8 Kilometer pro Stunde.
Im Physikunterricht haben wir uns zum Thema der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit ein Nachweisexperiment angeschaut. Dabei wird die Geschwindigkeit von Sternenlicht aus der Erde aus gesehen gemessen. Dabei sollte herausgefunden werden, ob sich die Lichtgeschwindigkeit ändert, je nachdem, ob sich die Erde auf den Stern zu- oder wegbewegt. Dazu wird das Licht eines ausgewählten Sterns einmal gemessen, wenn sich die Erde auf den Stern zubewegt, und einmal, wenn sie sich vom Stern wegbewegt. Die Erwartung war eigentlich, dass das Sternenlicht schneller ist, wenn sich die Erde auf den Stern zubewegt (c gemessen = c + v) und langsamer, wenn sich die Erde vom Stern entfernt (c gemessen = c - v). Die tatsächliche Messung zeigt jedoch, dass das Sternenlicht immer gleich schnell ist, unabhängig davon, in welche Richtung und mit welcher Geschwindigkeit sich die Erde bewegt (c gemessen = c).
Während die Lichtgeschwindigkeit also immer konstant ist, hängt die Ausbreitung von Schall stark vom Medium und der Bewegung der Schallquelle oder des Beobachters ab. Welche Folgen das hat, zeigt der folgende Abschnitt über Überschallflug.
Die Geschwindigkeit eines Objekts im Verhältnis zur Schallgeschwindigkeit wird in Mach-Zahlen angegeben. Mach 1 entspricht der Schallgeschwindigkeit. Ein Flugzeug mit Mach 1 bewegt sich also genau so schnell wie die von ihm erzeugten Schallwellen. Mach 2 ist demnach doppelt so schnell. Erreicht ein Objekt, zum Beispiel ein Flugzeug, die Schallgeschwindigkeit, dann bewegt es sich so schnell wie die von ihm erzeugten Schallwellen. Diese Wellen können sich nicht mehr gleichmässig in alle Richtungen verteilen. Sie stauen sich entlang eines kegelförmigen Bereichs. Diese Spitze wird auch Machkegel genannt. Durch diese Anhäufung der Schallwellen entsteht die Schallmauer. Wenn das Flugzeug nun noch schneller wird, kann es die Schallmauer durchbrechen. Anschliessend entlädt sich dieser aufgestaute Druck in einem lauten, explosionsartigen Geräusch, das sich kegelförmig hinter dem Flugzeug ausbreitet. Dieses Geräusch wird als Überschallknall bezeichnet. Mit etwa 120 Dezibel erreicht dieser Knall die Schmerzgrenze unseres Gehörs. Der Pilot oder die Pilotin im Flugzeug hört diesen Knall jedoch nicht, da sich das Flugzeug schneller als der Schall bewegt. Man kann also sagen, dass das Flugzeug seinem eigenen Knall entkommt.
Die ersten erfolgreichen Versuche, schneller als der Schall zu fliegen, fanden im 20. Jahrhundert statt. 1947 gelang der erste bemannte horizontale Überschallflug mit einer Geschwindigkeit von 1298.5 km/h (Mach 1,06). Bereits 1967 erreichte die X-15A-2 mit einem Piloten an Bord eine Geschwindigkeit von 7'274 km/h (Mach 6,7). Dies ist bis heute der Rekord für das schnellste bemannte Flugzeug der Weltgeschichte. Der absolute Geschwindigkeitsrekord für Flugzeuge ohne Pilot (für Forschungszwecke der NASA) beträgt 10'800 km/h (Mach 9,68).
Solche schnellen Flüge sind nicht nur eine Herausforderung für die Technik, sondern auch für die Piloten. Wer ein Überschallflugzeug steuert, muss körperlich und mental belastbar sein. Bereits beim Start wirken auf den Piloten starke Beschleunigungskräfte, die G-Kräfte genannt werden. Wir haben das alle schon mal erlebt, wenn man mit dem Auto auf der Autobahn beschleunigt, wird der eigene Körper in den Sitz gedrückt. Beim Abbremsen des Autos wird man voll nach vorne in den Sicherheitsgurt gedrückt. Durch diese starken G-Kräfte wird das Blut nach "unten" gedrückt, was zu einem Blackout oder zur Ohnmacht führen kann. Um genau solche Vorfälle zu vermeiden, tragen die Piloten einen Anti-G-Anzug. Dieser übt Druck auf Bauch und Beine aus, um das Anstauen von Blut zu verhindern. Somit kann die obere Körperhälfte (Gehirn) besser mit Blut versorgt werden. Während des Fluges kommt es ausserdem zu hohen Temperaturunterschieden. Bei Überschallgeschwindigkeit wird das Flugzeug durch Luftreibung von aussen stark erhitzt. Die Kleidung der Pilot:innen muss also auch vor Hitze schützen. Zudem ist der mentale Druck hoch. Bei solchen Geschwindigkeiten gibt es kaum Zeit, auf plötzlich eintretende Situationen zu reagieren. Schon ein kleiner Fehler kann schwerwiegende Folgen haben. Daher sind höchste Konzentration, breites technisches Wissen und die Fähigkeit, in Notsituationen einen kühlen Kopf zu bewahren, gefragt und wichtig.
Abbildung X-15A-2: https://en.wikipedia.org/wiki/X-15_Flight_188#/media/File:X15A2_with_tanks.jpg
Unterrichtsskript der Relativitätstheorie
