W dziedzinie fizyki istnieją pewne bariery, które ludzie rozpoznają. Najbardziej znana jest prędkość światła, maksymalna prędkość, z jaką mogą przemieszczać się wszystkie konwencjonalne materie i wszystkie formy informacji we Wszechświecie. Jest to bariera, którą ludzkość nigdy nie będzie w stanie przepchnąć, głównie dlatego, że narusza to jedno z najbardziej podstawowych praw fizyki - Teorię ogólnej teorii względności Einsteina.
Ale co z prędkością dźwięku? Jest to kolejna bariera w fizyce, ale taka, którą ludzkość była w stanie przełamać (w rzeczywistości kilkakrotnie). A jeśli chodzi o przełamanie tej bariery, naukowcy używają tak zwanej liczby Macha, aby przedstawić granicę przepływu poza lokalną prędkością dźwięku. Innymi słowy, przekroczenie bariery dźwiękowej jest zdefiniowane jako Mach 1. Więc jak szybko musisz to zrobić?
Definicja:
Kiedy słyszymy termin Mach 1, łatwo założyć, że jest to prędkość dźwięku w ziemskiej atmosferze. Jednak ten termin jest bardziej obciążony, niż mogłoby się wydawać. Prawda jest taka, że liczba Macha to raczej stosunek niż rzeczywisty bezpośredni pomiar prędkości. A stosunek ten wynika z faktu, że prędkość dźwięku zmienia się w zależności od lokalizacji z powodu różnic temperatury i gęstości powietrza.
Matematycznie można to zdefiniować jako M = u/do, gdzie M jest liczbą Macha, u oznacza lokalną prędkość przepływu w odniesieniu do granic (tj. prędkość obiektu poruszającego się przez medium), oraz do to prędkość dźwięku w tym konkretnym medium (tj. lokalnej atmosferze, wodzie itp.).
Gdy prędkość dźwięku jest zerwana, powoduje to tak zwany „boom dźwiękowy”. Jest to głośny, trzaskający dźwięk związany z falami uderzeniowymi wytwarzanymi przez obiekt poruszający się szybciej niż lokalna prędkość dźwięku. Przykłady obejmują samolot przełamujący barierę dźwiękową do miniaturowych wysięgników spowodowanych przelatującymi pociskami lub trzaskem bullwhipa.
Prędkość dźwięku:
Zasadniczo prędkość dźwięku jest odległością przebytą w określonym czasie przez falę dźwiękową, która rozchodzi się po elastycznym ośrodku. Jak już wspomniano, nie jest to wartość uniwersalna, ale sprowadza się do składu medium i warunków tego medium. Kiedy mówimy o prędkości dźwięku, odnosimy się do prędkości dźwięku w atmosferze ziemskiej. Ale nawet to może się różnić.
Jednak naukowcy zwykle polegają na prędkości dźwięku mierzonej w suchym powietrzu (tj. Niskiej wilgotności) w temperaturze 20 ° C (68 ° F) jako standard. W tych warunkach lokalna prędkość dźwięku wynosi 343 metry na sekundę (1235 km / h; 767 mil / h) - lub 1 kilometr w 2,91 si 1 mila w 4,69 s.
Klasyfikacje:
Podobnie jak w przypadku większości współczynników, istnieją przybliżenia i kategorie, które są używane do pomiaru prędkości obiektu w stosunku do bariery dźwiękowej. To daje nam kategorie poddźwiękowy, transonowy, naddźwiękowy, i naddźwiękowy. Ten system kategoryzacji jest często stosowany do klasyfikacji statków powietrznych lub statków kosmicznych, przy czym minimalny wymóg stanowi, że większość sklasyfikowanych jednostek ma zdolność zbliżania się lub przekraczania prędkości dźwięku.
Dla statków powietrznych lub innych obiektów, które lecą z prędkością poniżej bariery akustycznej, klasyfikacja poddźwiękowy dotyczy. Ta kategoria obejmuje większość odrzutowców i małe samoloty komercyjne, choć odnotowano pewne wyjątki (tj. Naddźwiękowe odrzutowce komercyjne, takie jak Concorde).
Ponieważ jednostki te nigdy nie osiągają prędkości dźwięku ani nie przekraczają tej prędkości, będą miały liczbę Macha mniejszą niż jeden, a zatem wyrażoną w postaci dziesiętnej - tj. Mniejszą niż Mach 0,8 (273 m / s; 980 km / h; 609 mil / h). Zazwyczaj te samoloty są napędzane śmigłem i mają zwykle wysoki współczynnik kształtu (smukłe) skrzydła i zaokrąglone cechy.
Oznaczenie transonowy ma zastosowanie do warunków lotu, w których zakres prędkości przepływu powietrza istnieje wokół i za statkiem powietrznym. Prędkości te są jednocześnie niższe niż, przy i powyżej prędkości dźwięku, w zakresie od Mach 0,8 do 1,2 (273–409 m / s; 980–1 470 km / h; 609–914 mil na godzinę). Samoloty transoniczne prawie zawsze miały zamiatane skrzydła, powodujące opóźnienie dywergencji i są napędzane przez silniki odrzutowe.
Następna kategoria to naddźwiękowy samolot. Są to jednostki, które mogą wyjść poza kompresję powietrza, która jest „barierą dźwiękową”. Statki te mają na ogół liczbę Macha od 1 do 5 (410–1 702 m / s; 1470–6 126 km / h; 915–3 806 mil / h). Samoloty zaprojektowane do latania z prędkością naddźwiękową wykazują duże różnice w ich konstrukcji aerodynamicznej z powodu radykalnych różnic w zachowaniu przepływów powyżej Mach 1.
Należą do nich ostre krawędzie, cienkie skrzydła i stabilizatory ogonów (zwane także płetwami) lub kanarki (przednie skrzydła), które są w stanie się regulować. Jednostki, które zazwyczaj mają to oznaczenie, obejmują nowoczesne myśliwce, samoloty szpiegowskie (takie jak SR-71 Blackbird) i wspomnianą wcześniej Concorde.
Ostatnia kategoria to hipersoniczna, która dotyczy samolotów, które mogą przekraczać prędkość Mach 5 i mogą osiągać prędkości tak wysokie, jak Mach 10 (1702–3 403 m / s; 6126–12 251 km / h; 3 806–6 680 mil / h). Bardzo niewiele samolotów może poruszać się z taką prędkością i ma tendencję do napędzania rakietami (jak X-15), rakiet (jak X-43 lub HyperX) lub statków kosmicznych, które właśnie opuszczają atmosferę ziemską.
Innym przykładem są obiekty wchodzące w atmosferę ziemską. Mogą one przybrać formę statku kosmicznego wykonującego ponowne wejście lub meteoryty, które przeleciały i rozpadły się w ziemskiej atmosferze. Na przykład meteoryt, który uderzył w niebo nad małym miasteczkiem Czelabińsk w Rosji, w lutym 2013 r. Podróżował z prędkością około 19,16 ± 0,15 km / s (68 436 - 69 516 km / h; 42 524 - 43 195 mph) .
Innymi słowy, meteoryt podróżował między Mach 55 a 56, kiedy uderzył w naszą atmosferę! Biorąc pod uwagę ogromną prędkość, gdy meteor osiągnął niebo nad Czelabińskiem, spowodował on tak silny boom dźwiękowy, że spowodował poważne zniszczenia tysięcy budynków w sześciu miastach w całym regionie. Szkody, które obejmowały wiele eksplodujących okien, spowodowały obrażenia 1500 osób.
Jak szybki jest Mach One? Krótka odpowiedź jest taka, że zależy to od tego, gdzie jesteś. Ale ogólnie jest to prędkość przekraczająca około 1200 km / h lub 750 mil na godzinę. Jeśli potrafisz jechać tak szybko, przełamiesz barierę dźwiękową, a ludzie w promieniu wielu kilometrów usłyszą o tym!
Napisaliśmy tutaj wiele interesujących artykułów o dźwięku Space Magazine. Oto co to jest dźwięk ?, co to jest najszybszy odrzutowiec na świecie ?, co to jest opór powietrza? I jak brzmi NASA?
Aby uzyskać więcej informacji, zapoznaj się z artykułem NASA o numerze Macha, a tutaj znajduje się link do lekcji o numerze Macha.
Nagraliśmy odcinek Astronomy Cast o promie kosmicznym. Posłuchaj tutaj, odcinek 127: The US Space Shuttle.
Źródła:
- NASA - liczba Macha
- Wikipedia - liczba Macha
- Aerospaceweb - prędkość dźwięku, liczba machów i bariera dźwięku
