Inden for fysikens område er der visse barrierer, som mennesker er kommet til at erkende. Den mest kendte er lysets hastighed, den maksimale hastighed, hvorpå al konventionel stof og alle former for information i universet kan rejse. Dette er en barriere, som menneskeheden måske aldrig er i stand til at skubbe forbi, hovedsagelig fordi det gøres i strid med en af de mest grundlæggende fysiske love - Einsteins teori om generel relativitet.
Men hvad med lydhastigheden? Dette er en anden barriere inden for fysik, men en, som menneskeheden har været i stand til at bryde (flere gange faktisk). Og når det kommer til at bryde denne barriere, bruger forskere det, der er kendt som et Mach-nummer, til at repræsentere strømningsgrænsen forbi den lokale lydhastighed. Med andre ord, at skubbe forbi lydbarrieren defineres som Mach 1. Så hvor hurtigt skal du gøre det?
Definition:
Når vi hører udtrykket Mach 1, er det let at antage, at det er lydens hastighed gennem Jordens atmosfære. Men dette udtryk er mere belastet, end du måske tror. Sandheden er, at et Mach-nummer er et forhold snarere end en faktisk direkte måling af hastigheden. Og dette forhold skyldes, at lydhastigheden varierer fra sted til sted på grund af forskelle i temperatur og lufttæthed.
Matematisk kan dette defineres som M = u/c, hvor M er Mach-nummeret, u er den lokale strømningshastighed med hensyn til grænserne (dvs. hastigheden af objektet, der bevæger sig gennem mediet), og c er lydens hastighed i det bestemte medium (dvs. lokal atmosfære, vand osv.).
Når lydens hastighed brydes, resulterer dette i det, der er kendt som en “lydbom”. Dette er den høje, krakende lyd, der er forbundet med chokbølgerne, der oprettes af et objekt, der kører hurtigere end den lokale lydhastighed. Eksempler kan nævnes et fly, der bryder lydbarrieren mod miniatyrbomme forårsaget af kugler, der flyver forbi, eller sprækker et bullwhip.
Lydens hastighed:
Grundlæggende er lydhastigheden afstanden, der køres i en vis tid af en lydbølge, når den forplantes gennem et elastisk medium. Som allerede nævnt er dette ikke en universel værdi, men kommer ned på mediets sammensætning og mediets forhold. Når vi taler om lydens hastighed, henviser vi til lydens hastighed i Jordens atmosfære. Men selv det er underlagt variation.
Forskere har imidlertid en tendens til at stole på lydens hastighed målt i tør luft (dvs. lav luftfugtighed) og ved en temperatur på 20 ° C (68 ° F) som standard. Under disse forhold er den lokale lydhastighed 343 meter pr. Sekund (1.235 km / t; 767 mph) - eller 1 kilometer på 2,91 s og 1 mil på 4,69 s.
Klassifikationer:
Som med de fleste forhold, er der tilnærmelser og kategorier, der bruges til at måle objektets hastighed i forhold til lydbarrieren. Dette giver os kategorierne af subsonisk, transonisk, supersonisk, og hypersonisk. Dette kategoriseringssystem bruges ofte til at klassificere fly eller rumfartøjer, idet minimumskravet er, at de fleste af de klassificerede fartøjer har evnen til at nærme sig eller overskride lydens hastighed.
Klassificering for fly eller ethvert objekt, der flyver med en hastighed under lydbarrieren subsonisk gælder. Denne kategori inkluderer de fleste pendlestråler og små kommercielle fly, skønt nogle undtagelser er blevet bemærket (dvs. supersoniske kommercielle jetfly som Concorde).
Da disse fartøjer aldrig mødes eller overskrider lydens hastighed, vil de have et Mach-nummer, der er mindre end et, og derfor udtrykt i decimalform - dvs. mindre end Mach 0,8 (273 m / s; 980 km / t; 609 mph). Disse fly er typisk propeldrevet og har en tendens til at have høje aspektforhold (slanke) vinger og afrundede funktioner.
Betegnelsen på transonic gælder for en flyvebetingelse, hvor der findes en række luftstrømshastigheder omkring og forbi flyet. Disse hastigheder er samtidigt under, ved og over lydhastigheden, der spænder fra Mach 0,8 til 1,2 (273-409 m / s; 980-1,470 km / t; 609-914 mph). Transoniske fly har næsten altid fejede vinger, hvilket forårsager forsinkelsen i trækafvigelsen og drives af jetmotorer.
Den næste kategori er supersonisk fly. Dette er håndværk, der kan bevæge sig ud over komprimering af luft, der er "lydbarrieren." Disse fartøjer har generelt et Mach-tal på mellem 1 og 5 (410–1702 m / s; 1.470–6.126 km / t; 915-3.806 mph). Fly, der er designet til at flyve i supersoniske hastigheder, viser store forskelle i deres aerodynamiske design på grund af de radikale forskelle i opførslen af strømme over Mach 1.
Disse inkluderer skarpe kanter, tynde vingesektioner og halestabilisatorer (også kaldet finner) eller canards (forewings), der er i stand til at justere. Håndværk, der typisk har denne betegnelse, inkluderer moderne jagerfly, spionfly (som SR-71 Blackbird) og den førnævnte Concorde.
Den sidste kategori er hypersonic, som gælder for fly, der kan overstige hastigheden på Mach 5 og kan opnå hastigheder så høje som Mach 10 (1.702–3.403 m / s; 6.126–12.251 km / t; 3.806–7.680 mph). Meget få fly kan bevæge sig i sådanne hastigheder og har tendens til at være raketdrevet (som X-15), scramjets (som X-43 eller HyperX) eller rumfartøjer, der er i færd med at forlade Jordens atmosfære.
Et andet eksempel er genstande, der kommer ind i Jordens atmosfære. Disse kan have form af rumfartøjer, der udfører genindrejse, eller meteoritter, der er passeret igennem og brudt op i Jordens atmosfære. F.eks. Rejste meteoren, der gik ind i himlen over den lille by Chelyabinsk, Rusland, i februar 2013 med en hastighed på ca. 19,16 ± 0,15 km / s (68,436 - 69,516 km / t; 42,524 - 43,195 mph) .
Med andre ord, meteoritten rejste mellem Mach 55 og 56, da den ramte vores atmosfære! I betragtning af dens enorme hastighed, da meteoren nåede himlen over Chelyabinsk, skabte den en lydstyrke, der var så kraftig, at det forårsagede omfattende skader på tusindvis af bygninger i seks byer i hele regionen. Denne skade, som omfattede en masse eksploderende vinduer, resulterede i, at 1500 mennesker blev såret.
Så hvor hurtigt er Mach One? Det korte svar er, at det afhænger af, hvor du er. Men generelt er det en hastighed, der overstiger ca. 1200 km / t eller 750 mph. Hvis du er i stand til at gå så hurtigt, vil du bryde lydbarrieren, og folk i mange kilometer vil høre om det!
Vi har skrevet mange interessante artikler om lyd her Space Magazine. Her er Hvad er lyd ?, Hvad er den hurtigste jet i verden?, Hvad er luftmodstand ?, og hvad synes NASA?
For mere information, se NASAs artikel om Mach-nummeret, og her er et link til en lektion om Mach-nummeret.
Vi har optaget en episode af Astronomy Cast alt om rumfærgen. Lyt her, afsnit 127: Den amerikanske rumfærge.
Kilder:
- NASA - Mach-nummer
- Wikipedia - Mach-nummer
- Aerospaceweb - Sound of Sound, Mach Number & Sound Barrier
