Fysiikan alueella on tiettyjä esteitä, jotka ihmisten on havaittu. Tunnetuin on valon nopeus, suurin nopeus, jolla kaikki tavanomainen aine ja kaikki universumin informaation muodot voivat kulkea. Tämä on este, jota ihmiskunta ei ehkä koskaan pysty ohittamaan ohi, lähinnä siksi, että näin rikotaan yhtä fysiikan perustavanlaatuisimmista laeista - Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian teoriaa.
Entä äänen nopeus? Tämä on toinen este fysiikassa, mutta sellainen, jonka ihmiskunta on kyennyt murtamaan (itse asiassa useita kertoja). Ja kun kyse on tämän esteen purkamisesta, tutkijat käyttävät Mach-lukuna tunnettua virtausrajaa paikallisen äänenopeuden ohi. Toisin sanoen työntäminen ääniesteen ohi on määritelty Mach 1. Joten kuinka nopeasti sinun täytyy olla tekemässä se?
Määritelmä:
Kun kuulemme termin Mach 1, on helppo olettaa, että se on äänen nopeus maan ilmakehän läpi. Tämä termi on kuitenkin enemmän ladattu kuin luuletkaan. Totuus on, että Mach-luku on pikemminkin suhde kuin todellinen nopeuden suora mittaus. Ja tämä suhde johtuu siitä, että äänen nopeus vaihtelee paikasta toiseen lämpötilan ja ilman tiheyden erojen vuoksi.
Matemaattisesti tämä voidaan määritellä M = U/C, missä M on Mach-luku, U on paikallinen virtausnopeus suhteessa rajoihin (ts. väliaineen läpi liikkuvan esineen nopeus), ja - C on äänen nopeus kyseisessä väliaineessa (ts. paikallinen ilmapiiri, vesi jne.).
Kun äänen nopeus rikkoutuu, tämä johtaa niin sanottuun ”äänipuomiin”. Tämä on äänekäs, halkeileva ääni, joka liittyy iskun aaltoihin, jotka aiheutetaan objektista, joka kulkee paikallista äänenopeutta nopeammin. Esimerkkejä ovat ilma-alukset, jotka rikkovat ääniesteen miniatyyripuomille, jotka ovat aiheuttaneet lentävät luodit tai härkätaisteluhalkeaman.
Äänennopeus:
Äänen nopeus on pohjimmiltaan ääniaallon kuljettama matka tietyn ajan kuluessa, kun se etenee elastisen väliaineen läpi. Kuten jo todettiin, tämä ei ole yleinen arvo, mutta johtuu väliaineen koostumuksesta ja väliaineen olosuhteista. Kun puhumme äänen nopeudesta, tarkoitamme äänen nopeutta maan ilmakehässä. Mutta jopa se voi vaihdella.
Tutkijoilla on kuitenkin tapana luottaa äänenopeuteen, joka mitataan kuivassa ilmassa (ts. Alhaisessa kosteudessa) ja lämpötilassa 20 ° C (68 ° F). Näissä olosuhteissa paikallinen äänen nopeus on 343 metriä sekunnissa (1 235 km / h; 767 mph) - tai 1 km 2,91 sekunnissa ja 1 maili 4,69 sekunnissa.
Luokitukset:
Kuten useimmissa suhteissa, on olemassa likiarvoja ja luokkia, joita käytetään mittaamaan kohteen nopeus suhteessa äänesteeseen. Tämä antaa meille luokkia subonic, transonic, overpersonic, ja hypersonic. Tätä luokittelujärjestelmää käytetään usein ilma-alusten tai avaruusalusten luokitteluun, ja vähimmäisvaatimuksena on, että suurimmalla osalla luokitelluista aluksista on kyky lähestyä äänenopeutta tai ylittää se.
Ilma - aluksen tai muun esineen, joka lentää nopeudella ääniesteen alapuolella, luokittelu ääntä hitaampi sovelletaan. Tähän luokkaan sisältyy suurin osa lähiliikennesuihkukoneita ja pieniä kaupallisia lentokoneita, vaikka joitain poikkeuksia on todettu (ts. Yliäänen kaupalliset suihkukoneet, kuten Concorde).
Koska nämä veneet eivät koskaan täytä tai ylitä äänenopeutta, niiden Mach-luku on pienempi kuin yksi ja ilmaista siksi desimaalimuodossa - ts. Vähemmän kuin Mach 0,8 (273 m / s; 980 km / h; 609 mph). Tyypillisesti nämä ilma-alukset ovat potkurin ohjaamia ja niillä on yleensä korkeat sivusuhteet (kapeat) siivet ja pyöristetyt ominaisuudet.
Nimitys transonic kohta koskee lento-olosuhteita, joissa ilmavirran nopeudet ovat ilma-aluksen ympärillä ja ohi. Nämä nopeudet ovat samanaikaisesti äänenopeuden alapuolella, nopeudella ja sen yläpuolella, ja ne vaihtelevat välillä Mach 0,8 - 1,2 (273 - 409 m / s; 980 - 1 470 km / h; 609 - 914 mph). Transonisilla lentokoneilla on melkein aina pyyhkäisyn siipi, mikä aiheuttaa viivytyksen siirtymistä, ja niitä ajavat suihkumoottorit.
Seuraava luokka on ääntä nopeampi ilma-alus. Nämä ovat veneitä, jotka voivat liikkua ilman puristuksen, joka on ”äänieste”, ulkopuolella. Näiden alusten Mach-lukumäärä on yleensä välillä 1 - 5 (410–1 702 m / s; 1 470–6 126 km / h; 915–3806 mph). Yliäänenopeudella lentäviksi suunnitellut ilma-alukset osoittavat suuria eroja aerodynaamisessa suunnittelussaan Mach 1: n yläpuolella olevien virtausten radikaalien erojen takia.
Näitä ovat terävät reunat, ohuet siipiosat ja hännän stabilisaattorit (aka. Evät) tai kaarret (etuosa), jotka kykenevät säätämään. Käsityöt, joilla on tyypillisesti tämä nimitys, sisältävät modernit hävittäjät, vakoojalentokoneet (kuten SR-71 Blackbird) ja edellä mainittu Concorde.
Viimeinen luokka on yliääninen, jota sovelletaan lentokoneisiin, jotka voivat ylittää Mach 5: n nopeuden ja joilla voidaan saavuttaa jopa Mach 10: n nopeudet (1 702–3 403 m / s; 6 126–12 251 km / h; 3 806–7 680 mph). Hyvin harvat lentokoneet voivat liikkua sellaisella nopeudella ja ovat yleensä rakettimoottorisia (kuten X-15), scramjets (kuten X-43 tai HyperX) tai avaruusaluksia, jotka ovat poistumassa maan ilmakehästä.
Toinen esimerkki on esineet, jotka tulevat maan ilmakehään. Ne voivat tapahtua avaruusaluksina, jotka suorittavat paluuta uudelleen, tai meteoriiteina, jotka ovat kulkeneet ja hajottuneet maan ilmakehään. Esimerkiksi Venäjän Tšeljabinskin pienkaupungin yläpuolella taivaalle saapunut meteoriitti liikkui nopeudella noin 19,16 ± 0,15 km / s (68,436 - 69,516 km / h; 42,524 - 43,195 mph). .
Toisin sanoen meteoriitti matkusti Mach 55: n ja 56: n välillä, kun se osui ilmapiiriimme! Koska meteoriitti saavutti valtavan nopeuden taivaalle Tšeljabinskin yläpuolella, se loi äänivaikutteisen puomin, joka oli niin voimakas, että se aiheutti huomattavia vahinkoja tuhansille rakennuksille kuudessa alueen kaupungissa. Tämä vahinko, johon sisältyy paljon räjähtäviä ikkunoita, johti 1500 ihmisen loukkaantumiseen.
Joten kuinka nopea Mach One on? Lyhyt vastaus on, että se riippuu missä olet. Mutta yleensä se on nopeus, joka ylittää noin 1200 km / h tai 750 mph. Jos pystyt menemään näin nopeasti, murtat ääniesteen ja mailia ympärillä olevat ihmiset kuulevat siitä!
Olemme kirjoittaneet monia mielenkiintoisia artikkeleita äänestä täällä Space Magazine. Tässä on Mikä on ääni ?, Mikä on nopein suihkukone maailmassa ?, Mikä on ilmanvastus? Ja mistä NASA kuulostaa?
Lisätietoja saat NASA: n artikkelista Mach-numerosta. Tässä on linkki Mach-lukua koskevaan oppituntiin.
Olemme tallentaneet jakson Tähtitiede-näyttelijöistä kaiken avaruussukkulasta. Kuuntele täällä, jakso 127: Yhdysvaltain avaruuskuljetus.
Lähteet:
- NASA - Mach-numero
- Wikipedia - Mach-numero
- Aerospaceweb - Äänen nopeus, Mach-numero ja äänen este
