¿Qué significa "Mach"? ¿Cuántos kilómetros volaste en una hora a Mach 15?
Los aviones de combate X-43 y Blackbird de la NASA más conocidos, incluido el transbordador espacial, pueden alcanzar cifras de Mach.
¿Es Mach una unidad de velocidad?
Estrictamente hablando, el número de Mach no es una unidad de velocidad, pero en un fluido comprimible, las propiedades del fluido a un número de Mach determinado se ven afectadas por la compresibilidad independientemente de otras variables.
Este fluido compresible puede ser un líquido o un gas.
Dado que el número de Mach se define como la relación entre dos velocidades, es un número adimensional.
¿Cómo obtuviste el número de Mach? ¿Cómo entender el número adimensional del número de Mach? Si volaste a Mach 15 durante una hora, ¿cuántos kilómetros volaste?
A continuación, este artículo explicará en detalle la invención del número de Mach y la relación comparativa entre ambos, y responderá a las preguntas mencionadas en el artículo.
La aparición del número de Mach debe mencionar a una persona, él es Ernst Mach.
Vivió en el Imperio Austriaco y fue un físico y filósofo austriaco.
Su aportación más destacada a la física fue una serie de fotografías. No subestimes estas fotografías, revelan el movimiento de objetos a altas velocidades.
Las fotografías de ondas de choque de chispas y ondas de choque balísticas, por ejemplo, revelan cómo un objeto crea aire comprimido frente a una bala o un proyectil de artillería que viaja a velocidades supersónicas.
Mach registró todo esto con fotografías de Schlieren y posteriormente publicó un artículo relacionado en 1887.
Este artículo señala que cuando un objeto en el aire se mueve, la onda perturbadora esférica se propaga a la velocidad del sonido c. Cuando la velocidad del objeto v es mayor que c, se forma una superficie envolvente cónica con el objeto como. el vértice se formará delante de la forma de onda.
La relación entre el ángulo formado por la generatriz del cono y la dirección del movimiento del objeto fue posteriormente denominada "ángulo de Mach" por Prandtl.
Sin embargo, el número de Mach no fue nombrado por el propio Mach, sino por el experto suizo en ingeniería aeroespacial Jacob Acret, quien descubrió en investigaciones físicas posteriores que si se compara la velocidad del aire v con la del suelo, se especifica la relación de la velocidad del sonido. a como número característico puede simplificar enormemente la definición de propiedades similares en flujos viscosos compresibles.
Este descubrimiento hizo que la gente prestara atención a la relación entre los números de Mach y la importancia de los coeficientes de relación entre diferentes fluidos.
Entonces, ¿cómo se obtiene esta relación proporcional?
Teniendo en cuenta que Mach se utiliza principalmente para vuelos espaciales, aquí se hace hincapié en el gas como fluido para la explicación analítica, por lo que se debe mencionar el concepto de velocidad del sonido.
En gases o líquidos, el sonido consiste en ondas de compresión, mientras que en los sólidos, las ondas viajan de dos tipos diferentes, longitudinales y transversales.
Las ondas P están confinadas a un plano y son las únicas ondas sonoras que se propagan en gases y líquidos.
Las ondas transversales, también llamadas ondas de corte, sólo aparecen en los sólidos porque sólo los sólidos pueden soportar la deformación elástica. Generalmente, las ondas de corte ocurren como un par de polarizaciones ortogonales.
Debido a la propagación de las ondas sonoras en diferentes medios, la velocidad del sonido es variable, dependiendo de las propiedades del material a través del cual se propaga la onda.
En los fluidos sólo la compresibilidad y la densidad del medio son factores importantes, ya que los fluidos no transmiten esfuerzos cortantes.
Otra cosa que hay que saber es que el medio en el que se propagan las ondas sonoras no siempre es adiabático, por lo que la velocidad del sonido cambiará con la frecuencia.
Los primeros experimentos sobre este tipo de investigación fueron calculados por el famoso físico Isaac Newton en el siglo XIX, sin embargo, en experimentos posteriores, la gente cambió los datos calculados por Newton.
Volviendo a la propagación de la velocidad del sonido que mencionamos anteriormente, lo que podemos saber hasta ahora sobre la utilización de la velocidad del sonido en el aire es que el factor más importante que afecta la velocidad del sonido en el aire es la temperatura.
La velocidad es proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura absoluta, que es aproximadamente 0,6 m/s por grado Celsius.
Al mismo tiempo, la velocidad del sonido también aumenta debido a la humedad. La diferencia entre 0% y 100% de humedad es de aproximadamente 1,5 m/s. El tamaño de este efecto de humedad aumenta significativamente con los cambios de temperatura.
En lo que respecta al número de Mach, la definición académica es: si el número de Mach es menor que 1, la velocidad del flujo es menor que la velocidad del sonido; si el número de Mach es mayor que 1, la velocidad del flujo es menor que la velocidad del sonido; significa que la velocidad de movimiento macroscópico del objeto es más rápida que la velocidad del sonido. Para los objetos que vuelan en el aire, cuando el objeto vuela hacia adelante, provocará una perturbación continua en el aire y, a través de una transferencia de energía, el gas que se encuentra delante se "dispersará".
Si el objeto se mueve más rápido, el gas se comprimirá y las propiedades del flujo serán diferentes a las del flujo incompresible.
En general, para objetos con un número de Mach superior a 0,3, se debe considerar la compresibilidad del gas.
La manifestación más directa de este cambio es que la resistencia del aire aumentará significativamente y aparecerá una onda de choque, que es lo que llamamos "estruendo sónico".
Después de aclarar estos principios básicos, podemos realizar cálculos sencillos. Si vuelas a Mach 15 durante una hora, ¿cuál es la distancia recorrida?
Actualmente, la comunidad académica divide el vuelo en seis categorías: velocidad subsónica y número de Mach.
A través de la relación entre la velocidad del sonido y el número de Mach, más la velocidad del objeto, podemos Ahora puedes hacer un cálculo simple.
Según la fórmula M=u/c, donde M representa el número de Mach, u representa la velocidad y c representa la velocidad del sonido. Aquí asumimos que el objeto está volando en el aire a una velocidad. altitud de 10 000 metros, en lugar de cerca del suelo, porque la temperatura del aire a gran altitud afecta la velocidad del sonido y el valor de c en este momento es 295 m/s.
Después del cálculo, se puede saber que si vuela a una velocidad de Mach 15 durante una hora, la distancia de vuelo es de 15.930 kilómetros. Si vuela a esta velocidad, puede dar la vuelta a la Tierra en más de una hora.
Si la altitud cambia, la temperatura y la humedad correspondientes también cambiarán. Como dijimos antes, la velocidad del sonido cambiará debido a cambios en estos factores físicos, por lo que la velocidad del sonido es diferente en diferentes estados.
Hasta cierto punto, la velocidad del sonido representa un cambio de temperatura, razón por la cual algunos indicadores de aviones utilizan la diferencia de presión para representar la verdadera velocidad del aire durante el vuelo.
Finalmente, necesitamos saber que Mach no es velocidad en el sentido ordinario y no puede usarse directamente para expresar velocidad de movimiento.
Al igual que la velocidad misma, el número de Mach es una función de la temperatura y la velocidad real del aire.
A esta velocidad, ha superado a todos los aviones que vuelan sobre la Tierra. Incluso el X-43, construido por la NASA y el ejército estadounidense, sólo tiene una velocidad de Mach 9,6.
Esto ha entrado en la categoría de velocidades hipersónicas. Como uno de los aviones tripulados más rápidos disponibles actualmente, debes tener una buena condición física y excelentes habilidades de vuelo para volar este avión.
En términos generales, el rango de velocidad de la mayoría de los aviones de combate es sólo supersónico. En términos de diseño, desarrollo y costo, una vez que se supera este rango, se deben considerar muchos factores.
Ya sea el material o el diseño general, se debe minimizar la resistencia causada por la onda de choque, así como la fricción a alta temperatura y la acumulación de energía cinética.
Si la velocidad de entrada es básicamente la misma que la de la caída de un meteorito o la del aterrizaje de una nave espacial, el aire se ionizará debido a la fuerte compresión del aire.
Debido a la ionización, las señales electromagnéticas no pueden llegar al interior de la cápsula de vuelo, por lo que los astronautas perderán el contacto durante este periodo.
En la vida diaria también se producen este tipo de fenómenos de movimientos de alta velocidad, como los azotes.
Durante el proceso de agitar el látigo, el anciano en el parque se moverá a gran velocidad y el cambio repentino de la punta del látigo formará una onda de choque supersónica en el extremo frontal o parte del látigo. .
Es esta energía la que crepita en el aire.
Coches de carreras, aviones, cohetes, la búsqueda de velocidad por parte del ser humano parece no tener fin. ¿Qué tan rápido puede ser?
Presumiblemente, ni siquiera la velocidad de Mach 15 puede satisfacer este deseo.