Στο πεδίο της φυσικής, υπάρχουν ορισμένα εμπόδια που τα ανθρώπινα όντα έχουν καταφέρει να αναγνωρίσουν. Η πιο γνωστή είναι η ταχύτητα του φωτός, η μέγιστη ταχύτητα με την οποία μπορεί να ταξιδέψει όλη η συμβατική ύλη και όλες οι μορφές πληροφοριών στο Σύμπαν. Αυτό είναι ένα εμπόδιο που η ανθρωπότητα μπορεί να μην μπορέσει ποτέ να ξεπεράσει, κυρίως επειδή κάτι τέτοιο παραβιάζει έναν από τους πιο θεμελιώδεις νόμους της φυσικής – Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν .
Τι γίνεται όμως με την ταχύτητα του ήχου; Αυτό είναι ένα άλλο εμπόδιο στη φυσική, αλλά ένα εμπόδιο που η ανθρωπότητα μπόρεσε να σπάσει (πολλές φορές μάλιστα). Και όταν πρόκειται να σπάσουν αυτό το φράγμα, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν αυτό που είναι γνωστό ως α Αριθμός Mach να αναπαραστήσει το όριο ροής πέρα από την τοπική ταχύτητα του ήχου. Με άλλα λόγια, η υπέρβαση του ηχητικού φράγματος ορίζεται ως 1 Mach. Άρα 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 ατμόσφαιρας της Γης. Ωστόσο, αυτός ο όρος είναι πιο φορτωμένος από όσο νομίζετε. Η αλήθεια είναι ότι ένας αριθμός Mach είναι μια αναλογία και όχι μια πραγματική άμεση μέτρηση της ταχύτητας. Και αυτή η αναλογία 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.
Ένα F-22 Raptor που φτάνει σε ταχύτητα αρκετά υψηλή για να πετύχει ηχητική έκρηξη. Πίστωση: strangesounds.org
Μαθηματικά, αυτό μπορεί να οριστεί ως M =u/ντο,όπου M είναι ο αριθμός Mach,uείναι η τοπική ταχύτητα ροής σε σχέση με τα όρια (δηλαδή η ταχύτητα του αντικειμένου που κινείται μέσα από το μέσο) καιντοείναι η ταχύτητα του ήχου στο συγκεκριμένο μέσο (δηλαδή τοπική ατμόσφαιρα, νερό κ.λπ.).
Όταν σπάσει η ταχύτητα του ήχου, αυτό έχει ως αποτέλεσμα αυτό που είναι γνωστό ως «ηχητική έκρηξη». Αυτός είναι ο δυνατός ήχος σπασίματος που σχετίζεται με τα ωστικά κύματα που δημιουργούνται από ένα αντικείμενο που ταξιδεύει ταχύτερα από την τοπική ταχύτητα του ήχου. Παραδείγματα περιλαμβάνουν ένα αεροσκάφος που σπάει το ηχητικό φράγμα σε μικροσκοπικούς βραχίονες που προκαλούνται από σφαίρες που πετάνε δίπλα ή από το ράγισμα ενός μαστίγιου.
Ταχύτητα του ήχου:
Βασικά, η ταχύτητα του ήχου είναι η απόσταση που διανύει σε ένα ορισμένο χρονικό διάστημα ένα ηχητικό κύμα καθώς διαδίδεται μέσω ενός ελαστικού μέσου. Όπως έχει ήδη σημειωθεί, αυτή δεν είναι μια καθολική αξία, αλλά σχετίζεται με 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 και αυτό υπόκειται σε διαφοροποιήσεις.
Ωστόσο, οι επιστήμονες τείνουν να βασίζονται στην ταχύτητα του ήχου όπως μετράται σε ξηρό αέρα (δηλαδή χαμηλή υγρασία) και σε θερμοκρασία 20 °C (68 °F) ως πρότυπο. Υπό αυτές τις συνθήκες, η τοπική ταχύτητα του ήχου είναι 343 μέτρα ανά δευτερόλεπτο (1.235 km/h, 767 mph) – ή 1 χιλιόμετρο σε 2,91 δευτερόλεπτα και 1 μίλι σε 4,69 δευτερόλεπτα.
Ταξινομήσεις:
Όπως συμβαίνει με τις περισσότερες αναλογίες, υπάρχουν προσεγγίσεις και κατηγορίες που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της ταχύτητας του αντικειμένου σε σχέση με το ηχητικό φράγμα. Αυτό μας δίνει τις κατηγορίες τωνυποηχητικό, υπερηχητικό, υπερηχητικό,καιυπερηχητικός. Αυτό το σύστημα κατηγοριοποίησης χρησιμοποιείται συχνά για την ταξινόμηση αεροσκαφών ή διαστημικών σκαφών, η ελάχιστη απαίτηση είναι τα περισσότερα από τα ταξινομημένα σκάφη να έχουν την ικανότητα να προσεγγίζουν ή να υπερβαίνουν την ταχύτητα του ήχου.
Το Cessna 172, ένα εμπορικό αεροσκάφος με έλικα που έχει ταξινομηθεί ως υποηχητικό. Προσφορά: Wikipedia Commons/Adrian Pingstone
Για αεροσκάφη ή οποιοδήποτε αντικείμενο που πετά με ταχύτητα κάτω από το φράγμα του ήχου, η ταξινόμηση τωνυπηχητικόςισχύει. Αυτή η κατηγορία περιλαμβάνει τα περισσότερα αεροσκάφη προαστιακού και μικρά εμπορικά αεροσκάφη, αν και έχουν σημειωθεί ορισμένες εξαιρέσεις (δηλ. υπερηχητικά εμπορικά αεροσκάφη όπως το Concorde ).
Δεδομένου ότι αυτά τα σκάφη ποτέ δεν συναντούν ή υπερβαίνουν την ταχύτητα του ήχου, θα έχουν έναν αριθμό Mach που είναι μικρότερος από ένα και επομένως εκφράζεται σε δεκαδική μορφή – δηλαδή μικρότερο από 0,8 Mach (273 m/s, 980 km/h, 609 mph). Συνήθως, αυτά τα αεροσκάφη κινούνται με έλικα και τείνουν να έχουν φτερά υψηλού λόγου διαστάσεων (λεπτά) και στρογγυλεμένα χαρακτηριστικά.
Ο χαρακτηρισμός τουδιηχητικόισχύει για μια συνθήκη πτήσης όπου υπάρχει μια σειρά ταχυτήτων 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 0,8 Mach έως 1,2 (273-409 m/s, 980-1.470 km/h, 609-914 mph). Τα υπερηχητικά αεροσκάφη έχουν σχεδόν πάντα σαρωμένα φτερά, προκαλώντας την καθυστέρηση της απόκλισης οπισθέλκουσας, και οδηγούνται από κινητήρες αεριωθουμένων.
Η επόμενη κατηγορία είναιυπερηχητικόςαεροσκάφος. 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 (410–1.702 m/s, 1.470–6.126 km/h, 915-3.806 mph). Τα αεροσκάφη που έχουν σχεδιαστεί για να πετούν με υπερηχητικές ταχύτητες παρουσιάζουν μεγάλες διαφορές στον αεροδυναμικό σχεδιασμό τους λόγω των ριζικών διαφορών στη συμπεριφορά των ροών πάνω από 1 Mach.
Αυτά περιλαμβάνουν αιχμηρές άκρες, λεπτά τμήματα φτερών και σταθεροποιητές ουράς (γνωστοί και ως πτερύγια) ή καναντέρ (μπροστινά φτερά) που έχουν δυνατότητα προσαρμογής. Τα σκάφη που συνήθως έχουν αυτόν τον χαρακτηρισμό περιλαμβάνουν σύγχρονα μαχητικά αεροσκάφη, κατασκοπευτικά αεροπλάνα (όπως το SR-71 Blackbird ) και το προαναφερθέν Concorde.
Η τελευταία κατηγορία είναι η υπερηχητική, η οποία ισχύει για αεροσκάφη που μπορούν να υπερβούν την ταχύτητα των 5 Mach και μπορούν να επιτύχουν ταχύτητες έως και 10 Mach (1.702–3.403 m/s, 6.126–12.251 km/h· 3.806–7.680 mph). Πολύ λίγα αεροσκάφη μπορούν να κινηθούν με τέτοιες ταχύτητες και τείνουν να είναι πυραυλοκίνητα (όπως το Χ-15 ), scramjets (όπως το Χ-43 , ή HyperX), ή διαστημόπλοια που βρίσκονται σε διαδικασία αποχώρησης από την ατμόσφαιρα της Γης.
Ένα άλλο παράδειγμα είναι τα αντικείμενα που εισέρχονται στην ατμόσφαιρα της Γης. Αυτά μπορεί να λάβουν τη μορφή διαστημικών σκαφών που εκτελούν επανεισόδου ή μετεωριτών που έχουν περάσει και διασπαστεί στην ατμόσφαιρα της Γης. Για παράδειγμα, ο μετεωρίτης που μπήκε στους ουρανούς πάνω από την παραπάνω μικρή πόλη Τσελιάμπινσκ , Ρωσία, 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 Μαχ όταν χτύπησε την ατμόσφαιρά μας! Δεδομένης της τεράστιας ταχύτητάς του, όταν ο μετεωρίτης έφτασε στον ουρανό πάνω από το Τσελιάμπινσκ, δημιούργησε μια ηχητική έκρηξη τόσο ισχυρή που προκάλεσε εκτεταμένες ζημιές σε χιλιάδες κτίρια σε έξι πόλεις σε όλη την περιοχή. Αυτή η ζημιά, η οποία περιελάμβανε πολλές εκρήξεις παραθύρων, είχε ως αποτέλεσμα να τραυματιστούν 1.500 άνθρωποι.
Πόσο γρήγορο είναι λοιπόν το Mach One; Η σύντομη απάντηση είναι ότι εξαρτάται από το πού βρίσκεστε. Αλλά σε γενικές γραμμές, είναι μια ταχύτητα που ξεπερνά περίπου τα 1200 km/h ή τα 750 mph. Εάν είστε σε θέση να πάτε τόσο γρήγορα, θα σπάσετε το φράγμα του ήχου και οι άνθρωποι για μίλια τριγύρω θα το ακούνε!
Έχουμε γράψει πολλά ενδιαφέροντα άρθρα για τον ήχο εδώ Universe Today. Εδώ είναι Τι είναι ο Ήχος; , Ποιο είναι το πιο γρήγορο τζετ στον κόσμο; , Τι είναι η αντίσταση αέρα; , και Πώς ακούγεται η NASA;
Για περισσότερες πληροφορίες, ελέγξτε έξω Το άρθρο της NASA σχετικά με τον αριθμό Mach , και εδώ είναι ένας σύνδεσμος προς ένα μάθημα για τον αριθμό Mach .
Ηχογραφήσαμε ένα επεισόδιο του Astronomy Cast για το διαστημικό λεωφορείο. Ακου εδώ, Επεισόδιο 127: The US Space Shuttle .
Πηγές: