כמה מהיר הוא מאך אחד?

בתחום הפיזיקה ישנם חסמים מסוימים שבני אדם הכירו בכך. הידוע ביותר הוא מהירות האור, המהירות המקסימאלית בה כל הנושא הקונבנציונאלי וכל צורות המידע ביקום יכולים לנוע. זהו מכשול שאנושות לעולם לא תוכל לדחוק לעברו, בעיקר מכיוון שעושה זאת מפר את אחד החוקים הבסיסיים ביותר של הפיזיקה - תורת היחסות הכללית של איינשטיין.

אבל מה עם מהירות הצליל? זהו מחסום נוסף בפיזיקה, אך כזה שהאנושות הצליחה לשבור (מספר פעמים למעשה). וכשמדובר בפריצת המכשול הזה, מדענים משתמשים במה שמכונה מספר מאצ 'כדי לייצג את גבול הזרימה שחלף במהירות הקול המקומית. במילים אחרות, דחיפת מעבר למחסום הקול מוגדרת כמך 1. אז כמה מהר אתה צריך לעשות את זה?

הגדרה:

כשאנחנו שומעים את המונח Mach 1, קל להניח שזה מהירות הקול דרך האטמוספרה של כדור הארץ. עם זאת מונח זה טעון יותר ממה שנדמה לכם. האמת היא שמספר Mach הוא יחס ולא מדידה ישירה בפועל של המהירות. ויחס זה נובע מהעובדה שמהירות הצליל משתנה ממקום למקום, בגלל הבדלים בטמפרטורה וצפיפות האוויר.

מבחינה מתמטית ניתן להגדיר זאת כ- M = u/ג, איפה M מספר המסך, u הוא מהירות הזרימה המקומית ביחס לגבולות (כלומר מהירות האובייקט הנע דרך המדיום), ו ג הוא מהירות הצליל במדיום המסוים הזה (כלומר אווירה מקומית, מים וכו ').

כאשר נשבר מהירות הקול, התוצאה היא מה שמכונה "בום קולני". זהו הצליל הרועש והסדוק הקשור ל גלי ההלם שנוצרים על ידי אובייקט הנוסע מהר יותר ממהירות הצליל המקומית. דוגמאות לכך כוללות כלי טיס שובר את מחסום הקול לבומים מיניאטוריים הנגרמים כתוצאה מכדורים שעפים ליד, או סדק של ספינת שוורים.

מהירות הקול:

בעיקרון, מהירות הצליל היא המרחק שנסע בפרק זמן מסוים על ידי גל קול בזמן שהוא מתפשט דרך מדיום אלסטי. כפי שכבר צוין, אין זה ערך אוניברסאלי, אלא מסתכם בהרכב המדיום ותנאי אותו מדיום. כשאנחנו מדברים על מהירות הצליל, אנו מתייחסים למהירות הצליל באטמוספירה של כדור הארץ. אבל אפילו זה נתון לשונות.

עם זאת, מדענים נוטים להסתמך על מהירות הצליל שנמדדת באוויר יבש (כלומר לחות נמוכה) ובטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס כסטנדרט. בתנאים אלה מהירות הקול המקומית היא 343 מטר לשנייה (1,235 קמ"ש; 767 קמ"ש) - או קילומטר בקוטר 2.91 שניות וקילומטר ק"מ ב -4.69 שניות.

סיווגים:

כמו ברוב היחסים, ישנם קירובים וקטגוריות המשמשים למדידת מהירות האובייקט ביחס למחסום הקול. זה נותן לנו את הקטגוריות של תת-סוני, טרנסוני, סופר-קולי, ו היפראסוני. מערכת סיווג זו משמשת לרוב לסיווג כלי טיס או חללית, והדרישה המינימלית היא שרוב כלי השיט המסווגים הם בעלי יכולת להתקרב או לעבור את מהירות הצליל.

עבור מטוסים או כל חפץ שעף במהירות מתחת למחסום הקול, הסיווג של תת-סוני חל. קטגוריה זו כוללת את רוב מטוסי הנוסעים וכלי טיס מסחריים קטנים, אם כי צוינו כמה חריגים (כלומר מטוסי מסחר סופר-קוליים כמו הקונקורד).

מכיוון שיצירה זו לעולם אינה עומדת או חורגת ממהירות הצליל, יהיה להם מספר מאצ 'שהוא פחות מאחד ולכן הוא בא לידי ביטוי בצורה עשרונית - כלומר פחות ממאץ 0.8 (273 מ"ש; 980 קמ"ש; 609 קמ"ש). בדרך כלל, מטוסים אלה מונעים על ידי מדחף ונוטים להיות בעלי כנפי יחס (רוחב) ביחס רוחב-גובה גבוה ותכונות מעוגלות.

ייעודו של טרנסוני חל על מצב טיסה בו קיימים טווחי מהירות זרימת אוויר סביב המטוס ובעברו. מהירויות אלה נמצאות במקביל מתחת למהירות הצליל ומעל המהירות, נע בין מאך 0.8 ל 1.2 (273-409 מ"ש; 980-1,470 קמ"ש; 609-914 קמ"ש). למטוסים טרנסוניים כמעט תמיד יש כנפיים סחופות, מה שגורם לעיכוב הסטייה בגרירה ומונע על ידי מנועי סילון.

הקטגוריה הבאה היא קולי קולי מטוסים. אלה מלאכה שיכולה לעבור מעבר לדחיסת האוויר שהוא "מחסום הקול." למלאכה אלה יש בדרך כלל מספר מאץ 'בין 1 ל 5 (410–1,702 מ"ש; 1,470–6,126 קמ"ש; 915-3,806 קמ"ש). כלי טיס המיועדים לטוס במהירויות קוליות מראים הבדלים גדולים בתכנון האווירודינמי שלהם בגלל ההבדלים הקיצוניים בהתנהגות הזרימות מעל מאך 1.

אלה כוללים קצוות חדים, קטעי כנף דקים, ומייצבי זנב (המכילים סנפירים) או קנזים (קדמיות) המסוגלים להסתגל. מלאכות שיש בהן בדרך כלל ייעוד זה כוללות מטוסי קרב מודרניים, מטוסי ריגול (כמו ה- Black-Birb SR-71) והקונקורד הנ"ל.

הקטגוריה האחרונה היא היפרסונית, החלה על מטוסים שיכולים לעלות על המהירות של מאך 5 ויכולים להגיע למהירויות גבוהות כמו מאך 10 (1,702–3,403 מ"ש; 6,126–12,251 קמ"ש; 3,806–7,680 קמ"ש). מעט מאוד מטוסים יכולים לנוע במהירויות כאלה, ונוטים להיות מופעלים על ידי טילים (כמו ה- X-15), סקרמטים (כמו ה- X-43, או HyperX), או חלליות שנמצאות בתהליך עזיבת האטמוספרה של כדור הארץ.

דוגמא נוספת היא עצמים הנכנסים לאטמוספירה של כדור הארץ. אלה יכולים לקבל צורה של חלליות המבצעות כניסה מחודשת, או מטאוריטים שעברו והתפרצו באטמוספירה של כדור הארץ. לדוגמה, המטאור שנכנס לשמים שמעל לעיירה הקטנה צ'ליאבינסק, רוסיה, בפברואר 2013, נסע במהירות של כ -19.16 ± 0.15 קמ"ש (68,436 - 69,516 קמ"ש; 42,524 - 43,195 קמ"ש) .

במילים אחרות, המטאוריט נסע בין מאך 55 ל -56 כשהוא פגע באווירה שלנו! בהתחשב במהירות המהירה שלו, כאשר המטאור הגיע לשמי שמעל צ'ליאבינסק, הוא יצר תנופה קולנית כל כך עוצמתית, עד שגרמה נזק רב לאלפי הבניינים בשש ערים ברחבי האזור. הנזק הזה, שכלל הרבה חלונות מתפוצצים, הביא לכך שנפצעו 1,500 בני אדם.

אז כמה מהיר הוא מאך אחד? התשובה הקצרה היא שזה תלוי איפה אתה נמצא. אבל באופן כללי, מדובר במהירות העולה על 1200 קמ"ש או 750 קמ"ש. אם אתה מסוגל ללכת במהירות הזו, אתה תפר את מחסום הקול ואנשים לאורך קילומטרים רבים ישמעו על זה!

כתבנו מאמרים מעניינים רבים בנושא סאונד כאן במגזין החלל. הנה מה זה סאונד ?, מה הסילון המהיר ביותר בעולם ?, מהי התנגדות אוויר ?, ואיך נשמע נאס"א?

למידע נוסף, עיין במאמר של נאס"א על ​​מספר Mach: והנה קישור לשיעור בנושא מספר Mach.

הקלטנו פרק של אסטרונומיה קאסט על כל מעבורת החלל. האזינו כאן, פרק 127: מעבורת החלל האמריקנית.

מקורות:

• נאס"א - מספר מאך
• ויקיפדיה - מספר מאך
• אינטרנט אויר-חלל - מהירות צליל, מספר מאך ומחסום קול