Innen fysikkens område er det visse barrierer som mennesker har kommet til å kjenne igjen. Den mest kjente er lysets hastighet, den maksimale hastigheten som all konvensjonell materie og all form for informasjon i universet kan ferdes på. Dette er en barriere som menneskeheten aldri kan være i stand til å skyve forbi, hovedsakelig fordi det gjør brudd på en av de mest grunnleggende fysiske lovene - Einsteins teori om generell relativitet.
Men hva med lydhastigheten? Dette er en annen barriere i fysikken, men en som menneskeheten har kunnet bryte (flere ganger faktisk). Og når det gjelder å bryte denne barrieren, bruker forskere det som er kjent som et Mach-nummer for å representere strømningsgrensen forbi den lokale lydhastigheten. Å skyve forbi lydbarrieren er med andre ord definert som Mach 1. Så hvor raskt må du gjøre det?
Definisjon:
Når vi hører begrepet Mach 1, er det lett å anta at det er lydens hastighet gjennom Jordens atmosfære. Imidlertid er dette begrepet mer belastet enn du kanskje tror. Sannheten er at et Mach-nummer er et forhold snarere enn en faktisk direkte måling av hastigheten. Og dette forholdet skyldes at lydhastigheten varierer fra sted til sted på grunn av forskjeller i temperatur og lufttetthet.
Matematisk kan dette defineres som M = u/c, der M er Mach-nummeret, u er den lokale strømningshastigheten med hensyn til grensene (dvs. hastigheten til objektet som beveger seg gjennom mediet), og c er lydens hastighet i det aktuelle mediet (dvs. lokal atmosfære, vann osv.).
Når lydens hastighet brytes, resulterer dette i det som kalles en "sonisk bom". Dette er den høye, krakkende lyden som er assosiert med sjokkbølgene som er skapt av et objekt som beveger seg raskere enn den lokale lydhastigheten. Eksempler inkluderer et fly som bryter lydbarrieren mot miniatyrbommer forårsaket av kuler som flyr forbi eller sprengningen av et bullwhip.
Lydens hastighet:
I utgangspunktet er lydens hastighet avstanden som er tilbakelagt i en viss tid av en lydbølge når den forplanter seg gjennom et elastisk medium. Som allerede nevnt er dette ikke en universell verdi, men kommer ned på sammensetningen av mediet og betingelsene til det mediet. Når vi snakker om lydens hastighet, viser vi til lydens hastighet i jordens atmosfære. Men selv det kan endres.
Forskere har imidlertid en tendens til å stole på lydens hastighet målt i tørr luft (dvs. lav luftfuktighet) og ved en temperatur på 20 ° C som standard. Under disse forholdene er den lokale lydhastigheten 343 meter per sekund (1235 km / t; 767 mph) - eller 1 kilometer på 2,91 sek og 1 kilometer på 4,69 sek.
Klassifikasjoner:
Som med de fleste forholdstall, er det tilnærminger og kategorier som brukes til å måle gjenstandens hastighet i forhold til lydbarrieren. Dette gir oss kategoriene av subsonisk, transonisk, supersonisk, og Hypersonic. Dette kategoriseringssystemet brukes ofte til å klassifisere fly eller romfartøy, og minimumskravet er at de fleste av de klassifiserte fartøyene har muligheten til å nærme seg eller overskride lydhastigheten.
Klassifisering av fly eller andre gjenstander som flyr med en hastighet under lydbarrieren Subsonic gjelder. Denne kategorien inkluderer de fleste pendlerfly og små kommersielle fly, selv om noen unntak er blitt bemerket (dvs. supersoniske kommersielle jetfly som Concorde).
Siden disse håndverkene aldri møter eller overskrider lydhastigheten, vil de ha et Mach-nummer som er mindre enn ett og derfor uttrykt i desimal form - dvs. mindre enn Mach 0,8 (273 m / s; 980 km / t; 609 mph). Vanligvis er disse flyene propelldrevne og har en tendens til å ha høye sideforhold (slanke) vinger og avrundede funksjoner.
Betegnelsen på tran gjelder for et flyforhold der det eksisterer en rekke luftstrømningshastigheter rundt og forbi flyet. Disse hastighetene er samtidig under, ved og over lydhastigheten, fra Mach 0,8 til 1,2 (273-409 m / s; 980-1,470 km / t; 609-914 mph). Transoniske fly har nesten alltid feide vinger, noe som forårsaker forsinkelsen av dra-divergens, og blir drevet av jetmotorer.
Neste kategori er overlyds luftfartøy. Dette er håndverk som kan bevege seg utover komprimering av luft som er "lydbarrieren." Disse fartøyene har generelt et Mach-tall på mellom 1 og 5 (410–1702 m / s; 1.470–6.126 km / t; 915-3.806 mph). Fly designet for å fly i supersoniske hastigheter viser store forskjeller i deres aerodynamiske design på grunn av de radikale forskjellene i oppførselen til strømmer over Mach 1.
Disse inkluderer skarpe kanter, tynne vingeseksjoner og halestabilisatorer (aka. Svømmeføtter) eller canards (forewings) som kan justeres. Håndverk som vanligvis har denne betegnelsen inkluderer moderne jagerfly, spionfly (som SR-71 Blackbird) og den nevnte Concorde.
Den siste kategorien er hypersonic, som gjelder fly som kan overstige hastigheten på Mach 5 og kan oppnå hastigheter så høye som Mach 10 (1 702–3,403 m / s; 6,126–12,251 km / t; 3,806–7,680 mph). Svært få fly kan bevege seg i slike hastigheter, og har en tendens til å være rakettdrevet (som X-15), scramjets (som X-43 eller HyperX), eller romfartøy som er i ferd med å forlate Jordens atmosfære.
Et annet eksempel er objekter som kommer inn i jordas atmosfære. Disse kan ha form av romskip som utfører gjeninntreden, eller meteoritter som har gått gjennom og brutt opp i jordas atmosfære. For eksempel var meteoren som kom inn i himmelen over den lille byen Chelyabinsk, Russland, i februar 2013 med en hastighet på rundt 19,16 ± 0,15 km / s (68,436 - 69,516 km / t; 42,524 - 43,195 mph) .
Med andre ord, meteoritten reiste mellom Mach 55 og 56 da den traff atmosfæren vår! Gitt den enorme hastigheten, da meteoren nådde himmelen over Chelyabinsk, skapte den en lydstyrke som var så kraftig at den forårsaket omfattende skader på tusenvis av bygninger i seks byer over hele regionen. Denne skaden, som omfattet mange eksploderende vinduer, resulterte i at 1500 mennesker ble skadet.
Så hvor rask er Mach One? Det korte svaret er at det kommer an på hvor du er. Men generelt er det en hastighet som overstiger rundt 1200 km / t eller 750 mph. Hvis du er i stand til å gå så fort, vil du bryte lydbarrieren, og folk vil få kilometer å høre om det!
Vi har skrevet mange interessante artikler om lyd her Space Magazine. Her er Hva er lyd ?, Hva er den raskeste jet i verden?, Hva er luftmotstand ?, og hvordan ser NASA ut?
For mer informasjon, sjekk ut NASAs artikkel om Mach-nummeret, og her er en lenke til en leksjon om Mach-nummeret.
Vi har spilt inn en episode av Astronomy Cast om romfergen. Hør her, avsnitt 127: Den amerikanske romfergen.
kilder:
- NASA - Mach Number
- Wikipedia - Mach-nummer
- Aerospaceweb - Speed of Sound, Mach Number & Sound Barrier
