Inom fysikens område finns det vissa hinder som människor har insett. Den mest välkända är ljusets hastighet, den maximala hastigheten med vilken allt konventionellt material och alla former av information i universum kan färdas. Detta är en barriär som mänskligheten aldrig kan skjuta framåt, främst för att detta bryter mot en av de mest grundläggande fysiska lagarna - Einsteins teori om allmän relativitet.
Men hur är det med ljudets hastighet? Detta är en annan barriär inom fysiken, men en som mänskligheten har kunnat bryta (flera gånger i själva verket). Och när det gäller att bryta denna barriär använder forskare det som kallas Mach-nummer för att representera flödesgränsen förbi den lokala ljudhastigheten. Med andra ord, att driva förbi ljudbarriären definieras som Mach 1. Så hur snabbt måste du göra det?
Definition:
När vi hör termen Mach 1 är det lätt att anta att det är ljudets hastighet genom jordens atmosfär. Men denna term är mer laddad än du kanske tror. Sanningen är att ett Mach-nummer är ett förhållande snarare än en verklig direkt mätning av hastigheten. Och detta förhållande beror på att hastigheten på ljudet varierar från en plats till en annan på grund av skillnader i temperatur och lufttäthet.
Matematiskt kan detta definieras som M = u/c, där M är Mach-numret, u är den lokala flödeshastigheten med avseende på gränserna (dvs. hastigheten hos objektet som rör sig genom mediet), och c är ljudets hastighet i det specifika mediet (dvs. lokal atmosfär, vatten, etc).
När ljudets hastighet bryts resulterar detta i en så kallad ”sonic boom”. Detta är det höga, sprickande ljudet som är förknippat med chockvågorna som skapas av ett föremål som reser snabbare än den lokala ljudhastigheten. Exempel är ett flygplan som bryter ljudbarriären mot miniatyrbommor orsakade av kulor som flyger förbi, eller sprickan av ett tjurfartyg.
Ljudets hastighet:
I grund och botten är ljudets hastighet avståndet som körs under en viss tid av en ljudvåg när det sprider sig genom ett elastiskt medium. Som redan nämnts är detta inte ett universellt värde utan beror på mediets sammansättning och mediets villkor. När vi talar om ljudets hastighet hänvisar vi till ljudets hastighet i jordens atmosfär. Men även det kan variera.
Men forskare tenderar att förlita sig på ljudets hastighet mätt i torr luft (dvs låg luftfuktighet) och vid en temperatur på 20 ° C (68 ° F) som standard. Under dessa förhållanden är den lokala ljudhastigheten 343 meter per sekund (1235 km / h; 767 mph) - eller 1 kilometer på 2,91 sek och 1 mil på 4,69 sek.
Klassificeringar:
Som med de flesta förhållanden finns det approximationer och kategorier som används för att mäta objektets hastighet i förhållande till ljudbarriären. Detta ger oss kategorierna av subsonisk, transonisk, supersonisk, och hypersonisk. Detta kategoriseringssystem används ofta för att klassificera flygplan eller rymdfarkoster, varvid minimikravet är att de flesta klassificerade farkoster har förmåga att närma sig eller överskrida ljudets hastighet.
För luftfartyg eller föremål som flyger med en hastighet under ljudbarriären, klassificering av subsonisk gäller. Denna kategori inkluderar de flesta pendlare och små kommersiella flygplan, även om vissa undantag har noterats (dvs. supersoniska kommersiella jetflyg som Concorde).
Eftersom dessa farkoster aldrig uppfyller eller överskrider ljudets hastighet kommer de att ha ett Mach-nummer som är mindre än ett och därför uttryckt i decimalform - dvs. mindre än Mach 0,8 (273 m / s; 980 km / h; 609 mph). Typiskt är dessa flygplan propellerdrivna och tenderar att ha höga sidoförhållanden (smala) vingar och rundade funktioner.
Beteckningen av transonic gäller för ett flygförhållande där ett antal luftflödeshastigheter finns runt och förbi flygplanet. Dessa hastigheter är samtidigt under, vid och över ljudets hastighet, från Mach 0,8 till 1,2 (273-409 m / s; 980-1,470 km / h; 609-914 mph). Transoniska flygplan har nästan alltid svepte vingar, vilket orsakar fördröjningen av drag-divergens och drivs av jetmotorer.
Nästa kategori är överljuds- flygplan. Dessa är hantverk som kan röra sig utöver komprimering av luft som är "ljudbarriären." Dessa farkoster har vanligtvis ett Mach-antal mellan 1 och 5 (410–1 702 m / s; 1 470–6,126 km / h; 915-3,806 mph). Flygplan designade för att flyga med supersoniska hastigheter visar stora skillnader i deras aerodynamiska design på grund av de radikala skillnaderna i beteendet hos flöden över Mach 1.
Dessa inkluderar vassa kanter, tunna vingarsektioner och svansstabilisatorer (aka fenor) eller canards (forewings) som kan justeras. Hantverk som vanligtvis har denna beteckning inkluderar moderna jaktflygplan, spionplan (som SR-71 Blackbird) och ovannämnda Concorde.
Den sista kategorin är hypersonic, som gäller för flygplan som kan överskrida hastigheten på Mach 5 och kan uppnå hastigheter så höga som Mach 10 (1 702–3,403 m / s; 6,126–12,251 km / h; 3,806–7,680 mph). Mycket få flygplan kan röra sig med sådana hastigheter och tenderar att vara raketdrivna (som X-15), scramjets (som X-43 eller HyperX) eller rymdfarkoster som håller på att lämna jordens atmosfär.
Ett annat exempel är föremål som kommer in i jordens atmosfär. Dessa kan ta formen av rymdfarkoster som utför återinträde, eller meteoriter som har gått igenom och brutit upp i jordens atmosfär. Till exempel gick meteor som kom in i himlen ovanför den lilla staden Chelyabinsk, Ryssland, i februari 2013 med en hastighet av cirka 19,16 ± 0,15 km / s (68,436 - 69,516 km / h; 42,524 - 43,195 mph) .
Med andra ord, meteoriten färdades mellan Mach 55 och 56 när den träffade vår atmosfär! Med tanke på dess enorma hastighet, när meteoren nådde himlen ovanför Chelyabinsk, skapade den en ljudkonjunktur så kraftig att den orsakade omfattande skador på tusentals byggnader i sex städer i hela regionen. Denna skada, inklusive många exploderande fönster, resulterade i att 1500 personer skadades.
Så hur snabbt är Mach One? Det korta svaret är att det beror på var du är. Men i allmänhet är det en hastighet som överstiger cirka 1200 km / h eller 750 mph. Om du kan gå så snabbt kommer du att bryta ljudbarriären, och människor i många mil kommer att höra om det!
Vi har skrivit många intressanta artiklar om ljud här Space Magazine. Här är Vad är ljud ?, Vad är världens snabbaste jet ?, Vad är luftmotstånd? Och hur låter NASA?
Mer information finns i NASA: s artikel om Mach-numret och här är en länk till en lektion om Mach-numret.
Vi har spelat in ett avsnitt av Astronomy Cast om rymdfärjan. Lyssna här, avsnitt 127: US Space Shuttle.
källor:
- NASA - Mach Number
- Wikipedia - Mach Number
- Aerospaceweb - Speed of Sound, Mach Number & Sound Barrier
