Μέσα στη σφαίρα της φυσικής, υπάρχουν ορισμένα εμπόδια που έχουν αναγνωρίσει τα ανθρώπινα όντα. Η πιο γνωστή είναι η ταχύτητα του φωτός, η μέγιστη ταχύτητα με την οποία μπορούν να ταξιδεύουν όλες οι συμβατικές ύλες και όλες οι μορφές πληροφοριών στο Σύμπαν. Αυτό είναι ένα εμπόδιο που η ανθρωπότητα μπορεί να μην μπορεί ποτέ να προωθήσει το παρελθόν, κυρίως επειδή παραβιάζει έναν από τους πιο θεμελιώδεις νόμους της φυσικής - τη Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν.
Τι γίνεται όμως με την ταχύτητα του ήχου; Αυτό είναι ένα άλλο εμπόδιο στη φυσική, αλλά αυτό που η ανθρωπότητα μπόρεσε να σπάσει (αρκετές φορές στην πραγματικότητα). Και όταν πρόκειται να σπάσει αυτό το φράγμα, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν αυτό που είναι γνωστό ως Mach Number για να αντιπροσωπεύουν το όριο ροής πέρα από την τοπική ταχύτητα του ήχου. Με άλλα λόγια, το πέρασμα του ηχητικού φράγματος ορίζεται ως Mach 1. Λοιπόν, πόσο γρήγορα πρέπει να το κάνετε αυτό;
Ορισμός:
Όταν ακούμε τον όρο Mach 1, είναι εύκολο να υποθέσουμε ότι είναι η ταχύτητα του ήχου μέσω της γήινης ατμόσφαιρας. Ωστόσο, αυτός ο όρος είναι πιο φορτωμένος από ό, τι νομίζετε. Η αλήθεια είναι ότι ένας αριθμός Mach είναι μια αναλογία και όχι μια πραγματική άμεση μέτρηση της ταχύτητας. Και αυτός ο λόγος οφείλεται στο γεγονός ότι η ταχύτητα του ήχου ποικίλλει από τη μια θέση στην άλλη, λόγω των διαφορών στη θερμοκρασία και την πυκνότητα του αέρα.
Μαθηματικά, αυτό μπορεί να οριστεί ως M = εσύ/ντο, όπου M είναι ο αριθμός Mach, εσύ είναι η τοπική ταχύτητα ροής σε σχέση με τα όρια (δηλαδή την ταχύτητα του αντικειμένου που κινείται μέσω του μέσου) και ντο είναι η ταχύτητα του ήχου σε αυτό το συγκεκριμένο μέσο (δηλαδή τοπική ατμόσφαιρα, νερό κ.λπ.).
Όταν η ταχύτητα του ήχου σπάσει, αυτό οδηγεί σε αυτό που είναι γνωστό ως «ηχητική έκρηξη». Αυτός είναι ο δυνατός, ραγισμένος ήχος που σχετίζεται με τα κύματα σοκ που δημιουργούνται από ένα αντικείμενο που ταξιδεύει γρηγορότερα από την τοπική ταχύτητα του ήχου. Τα παραδείγματα καλύπτουν ένα αεροσκάφος που σπάζει το ηχητικό φράγμα σε μικροσκοπικούς βραχίονες που προκαλούνται από σφαίρες που πετούν ή από το σπάσιμο ενός αμαξώματος.
Ταχύτητα του ήχου:
Βασικά, η ταχύτητα του ήχου είναι η απόσταση που διανύθηκε σε ένα ορισμένο χρονικό διάστημα από ένα ηχητικό κύμα καθώς διαδίδεται μέσω ενός ελαστικού μέσου. Όπως ήδη αναφέρθηκε, αυτό δεν είναι καθολική τιμή, αλλά εξαρτάται από τη σύνθεση του μέσου και τις συνθήκες αυτού του μέσου. Όταν μιλάμε για την ταχύτητα του ήχου, αναφερόμαστε στην ταχύτητα του ήχου στην ατμόσφαιρα της Γης. Αλλά ακόμη και αυτό υπόκειται σε παραλλαγές.
Ωστόσο, οι επιστήμονες τείνουν να βασίζονται στην ταχύτητα του ήχου όπως μετριέται στον ξηρό αέρα (δηλαδή χαμηλή υγρασία) και σε θερμοκρασία 20 ° C (68 ° F) ως στάνταρ. Υπό αυτές τις συνθήκες, η τοπική ταχύτητα ήχου είναι 343 μέτρα ανά δευτερόλεπτο (1.235 km / h, 767 mph) - ή 1 χιλιόμετρο σε 2,91 s και 1 μίλι σε 4,69 s.
Ταξινομήσεις:
Όπως με τις περισσότερες αναλογίες, υπάρχουν προσεγγίσεις και κατηγορίες που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της ταχύτητας του αντικειμένου σε σχέση με το φράγμα ήχου. Αυτό μας δίνει τις κατηγορίες υποηχητικό, transonic, υπερηχητικό, και υπερηχητικός. Αυτό το σύστημα κατηγοριοποίησης χρησιμοποιείται συχνά για την ταξινόμηση αεροσκαφών ή διαστημικών σκαφών, με ελάχιστη προϋπόθεση ότι τα περισσότερα από τα ταξινομημένα σκάφη έχουν τη δυνατότητα να προσεγγίζουν ή να υπερβαίνουν την ταχύτητα του ήχου.
Για αεροσκάφη ή οποιοδήποτε αντικείμενο που πετά με ταχύτητα κάτω από το φράγμα ήχου, η ταξινόμηση του κατώτερος του ήχου ισχύει. Αυτή η κατηγορία περιλαμβάνει τα περισσότερα αεροσκάφη μεταφοράς και μικρά εμπορικά αεροσκάφη, αν και έχουν σημειωθεί ορισμένες εξαιρέσεις (δηλαδή υπερηχητικά εμπορικά αεροσκάφη όπως το Concorde).
Δεδομένου ότι αυτά τα σκάφη δεν συναντούν ούτε υπερβαίνουν την ταχύτητα του ήχου, θα έχουν αριθμό Mach μικρότερο από ένα και ως εκ τούτου εκφράζεται σε δεκαδική μορφή - δηλαδή μικρότερο από Mach 0,8 (273 m / s, 980 km / h, 609 mph). Συνήθως, αυτά τα αεροσκάφη κινούνται με έλικα και τείνουν να έχουν υψηλό λόγο διαστάσεων (λεπτά) φτερά και στρογγυλεμένα χαρακτηριστικά.
Ο χαρακτηρισμός του διηχητικό ισχύει για μια κατάσταση πτήσης όπου υπάρχει μια σειρά από ταχύτητες ροής αέρα γύρω και πέρα από το αεροσκάφος. Αυτές οι ταχύτητες είναι ταυτόχρονα κάτω, σε, και πάνω από την ταχύτητα του ήχου, που κυμαίνονται από Mach 0,8 έως 1,2 (273-409 m / s, 980-1,470 km / h, 609-914 mph). Τα αεροσκάφη Transonic σχεδόν πάντα είχαν σαρωμένα φτερά, προκαλώντας την καθυστέρηση της απόκλισης απόκλισης, και οδηγούνται από κινητήρες τζετ.
Η επόμενη κατηγορία είναι υπερηχητικός αεροσκάφος. Αυτά είναι σκάφη που μπορούν να κινηθούν πέρα από τη συμπίεση του αέρα που είναι το «ηχητικό φράγμα». Αυτά τα σκάφη έχουν γενικά έναν αριθμό Mach μεταξύ 1 και 5 (410-1702 m / s, 1.470-6.126 km / h, 915-3.806 mph). Τα αεροσκάφη που έχουν σχεδιαστεί για να πετούν με υπερηχητικές ταχύτητες δείχνουν μεγάλες διαφορές στον αεροδυναμικό σχεδιασμό τους λόγω των ριζικών διαφορών στη συμπεριφορά των ροών πάνω από το Mach 1.
Σε αυτά περιλαμβάνονται αιχμηρές άκρες, τμήματα λεπτών πτερυγίων και σταθεροποιητές ουράς (γνωστά και ως πτερύγια) ή καμβάδες (δάπεδα) που μπορούν να ρυθμιστούν. Τα σκάφη που συνήθως έχουν αυτή την ονομασία περιλαμβάνουν μοντέρνα μαχητικά αεροσκάφη, κατασκοπευτικά αεροπλάνα (όπως το SR-71 Blackbird) και το προαναφερθέν Concorde.
Η τελευταία κατηγορία είναι υπερηχητική, η οποία ισχύει για αεροσκάφη που μπορούν να υπερβούν την ταχύτητα του Mach 5 και μπορούν να επιτύχουν ταχύτητες τόσο υψηλές όσο Mach 10 (1.702–3.403 m / s, 6.126–12.251 km / h, 3.806–7.680 mph). Πολύ λίγα αεροσκάφη μπορούν να κινούνται με τέτοιες ταχύτητες και τείνουν να είναι πυραυλοκίνητα (όπως το X-15), scramjets (όπως το X-43 ή το HyperX) ή διαστημόπλοια που βρίσκονται στη διαδικασία εξόδου από την ατμόσφαιρα της Γης.
Ένα άλλο παράδειγμα είναι τα αντικείμενα που εισέρχονται στην ατμόσφαιρα της Γης. Αυτά μπορούν να λάβουν τη μορφή διαστημικού σκάφους που εκτελεί επανεισδοχή, ή μετεωρίτες που έχουν περάσει και διαλύονται στην ατμόσφαιρα της Γης. Για παράδειγμα, ο μετεωρίτης που μπήκε στον ουρανό πάνω από τη μικρή πόλη Τσελιάμπινσκ της Ρωσίας, τον Φεβρουάριο του 2013 ταξίδευε με ταχύτητα περίπου 19,16 ± 0,15 km / s (68,436 - 69,516 km / h, 42,524 - 43,195 mph) .
Με άλλα λόγια, ο μετεωρίτης ταξίδευε μεταξύ 55 και 56 Mach όταν έπληξε την ατμόσφαιρα μας! Δεδομένης της τεράστιας ταχύτητάς του, όταν ο μετεωρίτης έφτασε στον ουρανό πάνω από το Chelyabinsk, δημιούργησε μια ηχητική έκρηξη τόσο ισχυρή που προκάλεσε εκτεταμένες ζημιές σε χιλιάδες κτήρια σε έξι πόλεις σε ολόκληρη την περιοχή. Αυτή η ζημιά, η οποία περιελάμβανε πολλά εκρηκτικά παράθυρα, είχε ως αποτέλεσμα 1.500 άτομα να τραυματιστούν.
Πόσο γρήγορα είναι το Mach One; Η σύντομη απάντηση είναι ότι εξαρτάται από το πού βρίσκεστε. Αλλά σε γενικές γραμμές, είναι μια ταχύτητα που ξεπερνά τα 1200 km / h ή 750 mph. Εάν είστε σε θέση να προχωρήσετε τόσο γρήγορα, θα σπάσετε το φράγμα του ήχου και οι άνθρωποι για μίλια γύρω θα το ακούσουν!
Έχουμε γράψει πολλά ενδιαφέροντα άρθρα για τον ήχο εδώ Space Magazine. Εδώ είναι τι είναι ο ήχος ;, Ποιο είναι το γρηγορότερο αεροσκάφος στον κόσμο ;, Τι είναι η αντίσταση στον αέρα ;, και πώς μοιάζει η NASA;
Για περισσότερες πληροφορίες, ανατρέξτε στο άρθρο της NASA σχετικά με τον αριθμό Mach και ακολουθεί ένας σύνδεσμος για ένα μάθημα σχετικά με τον αριθμό Mach.
Καταγράψαμε ένα επεισόδιο του Astronomy Cast σχετικά με το διαστημικό λεωφορείο. Ακούστε εδώ, επεισόδιο 127: Το διαστημικό λεωφορείο των ΗΠΑ.
Πηγές:
- NASA - Αριθμός Mach
- Wikipedia - Αριθμός Mach
- Aerospaceweb - Ταχύτητα ήχου, αριθμός Mach & φράγμα ήχου
