У сфері фізики існують певні бар’єри, які люди почали усвідомлювати. Найвідомішою є швидкість світла, максимальна швидкість, з якою може переміщатися вся звичайна матерія і всі форми інформації у Всесвіті. Це бар’єр, який людство, можливо, ніколи не зможе подолати, головним чином тому, що це порушує один із найбільш фундаментальних законів фізики – Загальна теорія відносності Ейнштейна .
Але як щодо швидкості звуку? Це ще один бар’єр у фізиці, але той, який людство зуміло подолати (фактично кілька разів). І коли справа доходить до подолання цього бар’єру, вчені використовують те, що відомо як a Число Маха для представлення межі потоку за місцевою швидкістю звуку. Іншими словами, проштовхування звукового бар’єру визначається як 1 Маха. Тож як швидко ви повинні це зробити?
Визначення:
Коли ми чуємо термін 1 Маха, легко припустити, що це швидкість звуку через атмосферу Землі. Однак цей термін більш завантажений, ніж ви думаєте. Правда полягає в тому, що число Маха - це відношення, а не реальне пряме вимірювання швидкості. І це співвідношення пов’язане з тим, що швидкість звуку змінюється від одного місця до іншого через різницю в температурі та щільності повітря.
F-22 Raptor досягає швидкості, достатньої для досягнення звукового удару. Авторство: strangesounds.org
Математично це можна визначити як M =u/в,де M - число Маха,u- локальна швидкість потоку відносно кордонів (тобто швидкість об'єкта, що рухається через середовище), іcце швидкість звуку в цьому конкретному середовищі (тобто місцевій атмосфері, воді тощо).
Коли швидкість звуку порушена, це призводить до того, що відомо як «звуковий бум». Це гучний тріск, який асоціюється з ударними хвилями, які створюються об’єктом, який рухається швидше, ніж локальна швидкість звуку. Прикладами є коли літак, який подолає звуковий бар’єр, до мініатюрних ударів, викликаних пролітаючими кулями, або тріском бичачого батога.
Швидкість звуку:
По суті, швидкість звуку — це відстань, яку проходить звукова хвиля за певний проміжок часу, коли вона поширюється через пружне середовище. Як уже зазначалося, це не універсальна величина, а зводиться до складу середовища та умов цього середовища. Коли ми говоримо про швидкість звуку, ми маємо на увазі швидкість звуку в атмосфері Землі. Але навіть це може варіюватися.
Проте вчені, як правило, покладаються на швидкість звуку, виміряну в сухому повітрі (тобто при низькій вологості) і при температурі 20 °C (68 °F) як стандарт. За цих умов локальна швидкість звуку становить 343 метри на секунду (1235 км/год; 767 миль/год) – або 1 кілометр за 2,91 с і 1 миля за 4,69 с.
Класифікації:
Як і у більшості співвідношень, існують наближення та категорії, які використовуються для вимірювання швидкості об’єкта по відношенню до звукового бар’єру. Це дає нам категоріїдозвуковий, трансзвуковий, надзвуковий,ігіперзвуковий. Ця система категоризації часто використовується для класифікації літаків або космічних апаратів, мінімальна вимога полягає в тому, щоб більшість класифікованих кораблів мали здатність наближатися або перевищувати швидкість звуку.
Cessna 172, комерційний гвинтовий літак, який класифікується як дозвуковий. Авторство: Wikipedia Commons/Adrian Pingstone
Для літака або будь-якого об'єкта, який летить зі швидкістю нижче звукового бар'єру, класифікаціядозвуковийзастосовується. Ця категорія включає більшість приміських літаків і невеликих комерційних літаків, хоча були відзначені деякі винятки (тобто надзвукові комерційні літаки, такі як Concorde ).
Оскільки ці кораблі ніколи не досягають і не перевищують швидкість звуку, вони матимуть число Маха менше одиниці і, отже, виражене в десятковій формі, тобто менше 0,8 Маха (273 м/с; 980 км/год; 609 миль/год). Як правило, ці літаки керуються гвинтом і, як правило, мають високе співвідношення сторін (стрункі) крила та закруглені риси.
Позначеннятрансзвуковийзастосовується до умов польоту, коли навколо повітряного судна і повз нього існує діапазон швидкостей повітряного потоку. Ці швидкості одночасно нижчі, на рівні та вище швидкості звуку, коливаючись від 0,8 до 1,2 Маха (273–409 м/с; 980–1470 км/год; 609–914 миль/год). Трансзвукові літаки майже завжди мають стріловидні крила, що спричиняє затримку дивергенції, і приводиться в рух реактивними двигунами.
Наступна категоріянадзвуковийлітак. Це кораблі, які можуть рухатися за межі стиснення повітря, яке є «звуковим бар’єром». Ці судна зазвичай мають число Маха від 1 до 5 (410–1702 м/с; 1470–6126 км/год; 915–3806 миль/год). Літаки, призначені для польотів на надзвукових швидкостях, демонструють великі відмінності в своїй аеродинамічній конструкції через кардинальні відмінності в поведінці потоків вище 1 Маха.
Сюди входять гострі краї, тонкі секції крил і стабілізатори хвоста (він же плавники) або утки (передні крила), які можна регулювати. Судна, які зазвичай мають таке позначення, включають сучасні винищувачі, літаки-шпигуни (наприклад SR-71 Чорний дрозд ) і вищезгаданий Concorde.
Остання категорія — гіперзвукова, яка стосується літаків, які можуть перевищувати швидкість 5 Махів і досягати швидкостей до 10 Махів (1 702–3 403 м/с; 6 126–12 251 км/год; 3 806–7 680 миль/год). Дуже мало літаків можуть рухатися з такою швидкістю і, як правило, мають ракетний двигун (наприклад, X-15 ), ГПВРД (наприклад X-43 або HyperX), або космічні кораблі, які покидають атмосферу Землі.
Інший приклад – об’єкти, які потрапляють в атмосферу Землі. Вони можуть приймати форму космічних кораблів, які здійснюють повторний вхід, або метеоритів, які пройшли і розпалися в атмосфері Землі. Наприклад, метеор, який увійшов у небо над над невеликим містечком Челябінськ , Росія, у лютому 2013 року рухався зі швидкістю близько 19,16 ± 0,15 км/с (68 436 – 69 516 км/год; 42 524 – 43 195 миль/год).
Іншими словами, метеорит подорожував між 55 і 56 Махами, коли вдарився в нашу атмосферу! Враховуючи свою величезну швидкість, коли метеор досяг небес над Челябінськом, він створив настільки потужний звуковий удар, що завдав значної шкоди тисячам будівель у шести містах по всьому регіону. Ця шкода, яка включала велику кількість вибухнутих вікон, призвела до поранення 1500 людей.
Отже, наскільки швидкий один Мах? Коротка відповідь: це залежить від того, де ви знаходитесь. Але в цілому це швидкість, яка перевищує приблизно 1200 км/год або 750 миль/год. Якщо ви здатні йти так швидко, ви подолаєте звуковий бар’єр, і люди за милі навколо почують про це!
Ми написали багато цікавих статей про звук тут Universe Today. Ось Що таке звук? , Який найшвидший літак у світі? , Що таке опір повітря? , і Як звучить NASA?
Щоб отримати додаткову інформацію, перегляньте Стаття NASA про число Маха , а ось посилання на Урок про число Маха .
Ми записали епізод Astronomy Cast про космічний шаттл. Слухай сюди, Епізод 127: Космічний шаттл США .
Джерела: