V oblasti fyziky existují určité překážky, které si lidské bytosti uvědomují. Nejznámější je rychlost světla, maximální rychlost, kterou mohou všechny běžné záležitosti a všechny formy informací ve vesmíru cestovat. Toto je překážka, kterou lidstvo nikdy nebude schopno prosadit, hlavně proto, že tím poruší jeden z nejzákladnějších fyzikálních zákonů - Einsteinovu teorii obecné relativity.
Ale co rychlost zvuku? To je další překážka ve fyzice, ale ta, kterou se lidstvo dokázalo zlomit (ve skutečnosti několikrát). A pokud jde o prolomení této bariéry, vědci používají to, co je známé jako Machovo číslo, k reprezentaci hranice toku kolem místní rychlosti zvuku. Jinými slovy, tlačení za zvukovou bariéru je definováno jako Mach 1. Takže jak rychle to musíte udělat?
Definice:
Když uslyšíme termín Mach 1, lze snadno předpokládat, že jde o rychlost zvuku v zemské atmosféře. Tento termín je však načten více, než si myslíte. Pravda je, že Machovo číslo je spíše poměr než skutečné přímé měření rychlosti. A tento poměr je způsoben skutečností, že rychlost zvuku se liší z jednoho místa na další v důsledku rozdílů v teplotě a hustotě vzduchu.
Matematicky to lze definovat jako M = u/C, kde M je Machovo číslo, u je místní rychlost toku vzhledem k hranicím (tj. rychlost objektu, který se pohybuje skrz médium), a C je rychlost zvuku v tomto konkrétním médiu (tj. místní atmosféra, voda atd.).
Pokud je rychlost zvuku přerušena, má to za následek tzv. „Zvukový rozmach“. Toto je hlasitý, praskající zvuk, který je spojen s rázovými vlnami, které jsou vytvářeny objektem, který cestuje rychleji, než je místní rychlost zvuku. Příklady zahrnují letadlo, které láme zvukovou bariéru na miniaturní výložníky způsobené kulkami létajícími kolem nebo prasklinou bullwhip.
Rychlost zvuku:
Rychlost zvuku je v zásadě vzdálenost ujetá v určitém čase zvukovou vlnou, která se šíří elastickým prostředím. Jak již bylo uvedeno, nejedná se o univerzální hodnotu, ale jde o složení média a podmínky tohoto média. Když mluvíme o rychlosti zvuku, máme na mysli rychlost zvuku v zemské atmosféře. Ale i to podléhá změnám.
Vědci však mají tendenci spoléhat se na rychlost zvuku měřenou v suchém vzduchu (tj. Nízká vlhkost) a při teplotě 20 ° C (68 ° F) jako standard. Za těchto podmínek je místní rychlost zvuku 343 metrů za sekundu (1 235 km / h; 767 mph) - nebo 1 kilometr za 2,91 sa 1 míle za 4,69 s.
Klasifikace:
Stejně jako u většiny poměrů existují i přibližné hodnoty a kategorie, které se používají k měření rychlosti objektu ve vztahu k zvukové bariéře. To nám dává kategorie subsonické, transonické, nadzvukové, a nadzvukový. Tento kategorizační systém se často používá pro klasifikaci letadel nebo kosmických lodí, přičemž minimálním požadavkem je, aby většina klasifikovaných plavidel byla schopna se přiblížit nebo překročit rychlost zvuku.
U letadla nebo jakéhokoli předmětu, který letí rychlostí pod zvukovou bariérou, klasifikace podzvukový platí. Tato kategorie zahrnuje většinu letounů pro dojíždění a malých komerčních letadel, ačkoli byly zaznamenány některé výjimky (tj. Nadzvukové komerční trysky, jako je Concorde).
Protože tato plavidla nikdy nedosahují ani nepřekračují rychlost zvuku, budou mít Machovo číslo, které je menší než jedna, a proto je vyjádřeno v desítkové podobě - tj. Menší než Mach 0,8 (273 m / s; 980 km / h; 609 mph). Obvykle jsou tato letadla poháněna vrtulemi a mají sklon mít křídla s vysokým poměrem stran (štíhlá) a zaoblené rysy.
Označení transonic platí pro podmínku letu, kdy kolem a za letadlem existuje řada rychlostí proudění vzduchu. Tyto rychlosti jsou současně pod, při a nad rychlostí zvuku, v rozmezí 0,8 až 1,2 Mach (273-409 m / s; 980-1,470 km / h; 609-914 mph). Transonická letadla mají téměř vždy zametaná křídla, která způsobují zpoždění tažení-divergence a jsou poháněna proudovými motory.
Další kategorie je nadzvukový letadlo. Jsou to plavidla, která se mohou pohybovat za kompresí vzduchu, která je „zvukovou bariérou“. Tato plavidla mají obvykle Machovo číslo mezi 1 a 5 (410–1 702 m / s; 1 460–6 126 km / h; 915–3 806 mph). Letadla navržená k letu nadzvukovými rychlostmi vykazují velké rozdíly ve svém aerodynamickém designu kvůli radikálním rozdílům v chování toků nad Mach 1.
Patří mezi ně ostré hrany, tenké části křídel a stabilizátory ocasu (aka. Ploutve) nebo kachny (přední linie), které jsou schopné seřízení. Řemeslo, které obvykle má toto označení, zahrnuje moderní stíhačky, špionážní letadla (jako je SR-71 Blackbird) a výše zmíněné Concorde.
Poslední kategorie je hypersonická, což platí pro letadla, která mohou překročit rychlost Mach 5 a mohou dosáhnout rychlosti až Mach 10 (1 702–3 403 m / s; 6 126–12 251 km / h; 3 806–7 680 mph). Velmi málo letadel se může pohybovat takovými rychlostmi a má sklon být poháněno raketou (jako X-15), scramjety (jako X-43 nebo HyperX), nebo kosmickou lodí, která právě opouští zemskou atmosféru.
Dalším příkladem jsou objekty vstupující do zemské atmosféry. Mohou mít podobu kosmické lodi provádějící opětovný vstup nebo meteority, které prošly a rozpadly se v zemské atmosféře. Například meteor, který vstoupil do nebe nad malým městem v Čeljabinsku v Rusku, v únoru 2013 cestoval rychlostí asi 19,16 ± 0,15 km / s (68 436 - 69 516 km / h; 42 524 - 43 195 mph) .
Jinými slovy, meteorit cestoval mezi Mach 55 a 56, když zasáhl naši atmosféru! Když meteor dosáhl své obrovské rychlosti, když dosáhl nebe nad Čeljabinskem, vytvořil tak silný zvukový rozmach, že způsobil rozsáhlé škody tisícům budov v šesti městech po celém regionu. Toto poškození, které zahrnovalo mnoho explodujících oken, mělo za následek zranění 1 500 lidí.
Jak rychlý je Mach One? Krátká odpověď je, že záleží na tom, kde jste. Obecně se však jedná o rychlost přesahující asi 1200 km / h nebo 750 mph. Pokud jste schopni jít tak rychle, překonáte zvukovou bariéru a lidé na míle daleko o ní budou slyšet!
Zde jsme napsali mnoho zajímavých článků o zvuku zde Space Magazine. Zde je Co je zvuk ?, Co je nejrychlejší tryska na světě ?, Co je odpor vzduchu? A co zní zvuk NASA?
Další informace naleznete v článku NASA o Machově čísle a zde je odkaz na lekci o Machově čísle.
Zaznamenali jsme epizodu obsazení astronomického obsazení o kosmickém raketoplánu. Poslouchejte zde, Epizoda 127: US Space Shuttle.
Zdroje:
- NASA - Machovo číslo
- Wikipedia - Machovo číslo
- Aerospaceweb - rychlost zvuku, Machovo číslo a zvuková bariéra
