В области физики существуют определенные барьеры, которые люди осознают. Наиболее известной является скорость света, максимальная скорость, с которой может перемещаться вся обычная материя и все формы информации во Вселенной. Это барьер, который человечество, возможно, никогда не сможет преодолеть, главным образом потому, что это нарушает один из самых фундаментальных законов физики - теорию общей теории относительности Эйнштейна.
Но как насчет скорости звука? Это еще один барьер в физике, но тот, который человечество смог преодолеть (фактически, несколько раз). И когда дело доходит до преодоления этого барьера, ученые используют то, что известно как число Маха, для представления границы потока за локальной скоростью звука. Другими словами, преодоление звукового барьера определяется как Mach 1. Так как быстро вы должны будете это делать?
Определение:
Когда мы слышим термин Маха 1, легко предположить, что это скорость звука в атмосфере Земли. Однако этот термин более загружен, чем вы думаете. Правда состоит в том, что число Маха - это отношение, а не фактическое прямое измерение скорости. И это соотношение связано с тем, что скорость звука меняется от одного места к другому из-за различий в температуре и плотности воздуха.
Математически это можно определить как M = U/с, где М - число Маха, U представляет собой локальную скорость потока относительно границ (то есть скорость движения объекта через среду), и с скорость звука в этой конкретной среде (то есть, в местной атмосфере, воде и т. д.).
Когда скорость звука нарушается, это приводит к так называемому «звуковому буму». Это громкий треск, который связан с ударными волнами, создаваемыми объектом, движущимся быстрее, чем локальная скорость звука. В качестве примера можно привести летательный аппарат, преодолевающий звуковой барьер для миниатюрных грохотов, вызванных пролетающими пулями или трещиной кнута.
Скорость звука:
По сути, скорость звука - это расстояние, пройденное звуковой волной в течение определенного промежутка времени во время ее распространения в упругой среде. Как уже отмечалось, это не универсальная ценность, но сводится к составу среды и условиям этой среды. Когда мы говорим о скорости звука, мы имеем в виду скорость звука в атмосфере Земли. Но даже это может быть изменено.
Однако ученые склонны полагаться на скорость звука, измеряемую в сухом воздухе (т.е. при низкой влажности) и при температуре 20 ° C (68 ° F) в качестве стандарта. В этих условиях локальная скорость звука составляет 343 метра в секунду (1235 км / ч; 767 миль в час) - или 1 км за 2,91 с и 1 милю за 4,69 с.
Классификации:
Как и в большинстве соотношений, существуют приближения и категории, которые используются для измерения скорости объекта по отношению к звуковому барьеру. Это дает нам категории дозвуковой, трансзвуковой, сверхзвуковой, а также сверхзвуковой, Эта система классификации часто используется для классификации воздушных судов или космических аппаратов, минимальное требование заключается в том, чтобы большинство классифицированных воздушных судов имели способность приближаться или превышать скорость звука.
Для воздушного судна или любого объекта, летящего со скоростью ниже звукового барьера, классификация дозвуковой применяется. Эта категория включает в себя большинство пригородных самолетов и небольших коммерческих самолетов, хотя были отмечены некоторые исключения (то есть сверхзвуковые коммерческие самолеты, такие как Concorde).
Поскольку эти корабли никогда не встречают и не превышают скорость звука, они будут иметь число Маха, которое меньше единицы и поэтому выражается в десятичной форме - то есть меньше, чем 0,8 Маха (273 м / с; 980 км / ч; 609 миль в час). Как правило, эти самолеты приводятся в движение воздушным винтом и имеют тенденцию иметь крылья с высоким соотношением сторон (тонкие) и закругленные элементы.
Обозначение околозвуковой применяется к условию полета, когда диапазон скоростей воздушного потока существует вокруг и мимо самолета. Эти скорости одновременно ниже, на и выше скорости звука, в диапазоне от 0,8 до 1,2 Маха (273–409 м / с; 980–1470 км / ч; 609–914 миль в час). Трансзвуковые самолеты почти всегда имеют стреловидные крылья, вызывающие задержку расхождения во времени, и приводятся в движение реактивными двигателями
Следующая категория сверхзвуковой самолет. Это ремесло, которое может выйти за пределы сжатия воздуха, которое является «звуковым барьером». Эти машины обычно имеют число Маха от 1 до 5 (410–1 702 м / с; 1470–6 126 км / ч; 915–3 806 миль / ч). Самолеты, предназначенные для полетов на сверхзвуковых скоростях, демонстрируют большие различия в их аэродинамическом дизайне из-за радикальных различий в поведении потоков выше Маха 1.
К ним относятся острые края, тонкие секции крыльев и стабилизаторы хвоста (так называемые плавники) или канареки (передние крылья), которые могут регулироваться. Корабли, которые обычно имеют это обозначение, включают в себя современные истребители, самолеты-шпионы (например, SR-71 Blackbird) и вышеупомянутый Конкорд.
Последняя категория - гиперзвуковая, которая применяется к воздушным судам, которые могут превышать скорость Маха 5 и могут достигать скоростей вплоть до Маха 10 (1 702–3 403 м / с; 6 126–12 251 км / ч; 3 806–7 680 миль в час). Очень немногие самолеты могут двигаться с такими скоростями, и, как правило, имеют ракетные двигатели (например, X-15), космические двигатели (например, X-43 или HyperX) или космические корабли, которые находятся в процессе выхода из атмосферы Земли.
Другой пример - объекты, попадающие в атмосферу Земли. Они могут принимать форму космического корабля, выполняющего повторный вход, или метеоритов, которые прошли и разбились в атмосфере Земли. Например, метеор, который вошел в небо над вышеуказанным небольшим городком Челябинск, Россия, в феврале 2013 года, двигался со скоростью около 19,16 ± 0,15 км / с (68 436 - 69 516 км / ч; 42 524 - 43 195 миль / ч) ,
Другими словами, метеорит путешествовал между 55 и 56 Махами, когда он ударил по нашей атмосфере! Учитывая его огромную скорость, когда метеор достиг небес над Челябинском, он создал звуковой бум, настолько мощный, что он нанес огромный урон тысячам зданий в шести городах региона. Этот ущерб, который включал много взрывающихся окон, привел к ранению 1500 человек.
Так как же быстро Маха Один? Короткий ответ: это зависит от того, где вы находитесь. Но в целом это скорость, которая превышает 1200 км / ч или 750 миль в час. Если вы способны идти так быстро, вы преодолеете звуковой барьер, и люди на многие мили будут слышать об этом!
Мы написали много интересных статей о звуке здесь, журнал Space. Вот что такое звук? Что такое самый быстрый самолет в мире? Что такое сопротивление воздуха? Как звучит НАСА?
Для получения дополнительной информации, ознакомьтесь со статьей НАСА о номере Маха, и вот ссылка на урок о номере Маха.
Мы записали эпизод «Astronomy Cast» о космическом шаттле. Послушайте, Эпизод 127: Американский космический челнок.
Источники:
- НАСА - номер Маха
- Википедия - число Маха
- Aerospaceweb - скорость звука, число Маха и звуковой барьер
