Füüsika valdkonnas on teatud tõkked, mida inimesed on mõistnud. Kõige tuntum on valguse kiirus, maksimaalne kiirus, millega kogu universaalne aine ja igasugune teave universumis liikuda suudab. See on tõke, millest inimkond ei pruugi kunagi varem mööda minna, peamiselt seetõttu, et sellega rikutakse füüsika ühte kõige põhilisemat seadust - Einsteini üldise relatiivsusteooria teooriat.
Aga kuidas on heli kiirusega? See on füüsikas veel üks tõke, kuid see, mille inimkond on suutnud murda (tegelikult mitu korda ületatud). Ja kui tegemist on selle tõkke ületamisega, kasutavad teadlased nn Machi numbrina tuntud voolu piiri, et ületada heli kohalikku kiirust. Teisisõnu on helibarjäärist möödumine määratletud kui Mach 1. Niisiis, kui kiiresti peate seda tegema?
Definitsioon:
Kui kuuleme terminit Mach 1, on lihtne eeldada, et see on heli kiirus läbi Maa atmosfääri. Kuid see termin on rohkem koormatud, kui võite arvata. Tõsi on see, et Machi arv on pigem suhe kui kiiruse tegelik otsene mõõtmine. Ja see suhe on tingitud asjaolust, et heli kiirus varieerub ühest kohast erineva temperatuuri ja õhutiheduse erinevuste tõttu.
Matemaatiliselt võib seda määratleda kui M = u/c, kus M on Machi arv, u on lokaalne voolukiirus piiride suhtes (st keskkonnast läbi liikuva objekti kiirus) ja - c on heli kiirus konkreetses keskkonnas (st kohalik atmosfäär, vesi jne).
Kui helikiirus on katki, on tulemuseks nn heliline buum. See on valju, pragundav heli, mis on seotud lööklainetega, mis on loodud objektiga, mis sõidab kiiremini kui kohalik heli kiirus. Näited hõlmavad õhusõidukit, mis murrab helibarjääri miniatuursete poomide jaoks, mille põhjustavad kuulide lend või härjavõsa pragunemine.
Helikiirus:
Põhimõtteliselt on heli kiirus vahemaa, mille teatud aja jooksul läbib helilaine, kui see levib läbi elastse keskkonna. Nagu juba märgitud, pole see universaalne väärtus, vaid tuleneb söötme koostisest ja selle tingimustest. Kui räägime heli kiirusest, siis viidatakse heli kiirusele Maa atmosfääris. Kuid isegi see võib varieeruda.
Teadlased kipuvad aga tavaliselt tuginema heli kiirusele, mida mõõdetakse kuivas õhus (st madala õhuniiskusega) ja temperatuuril 20 ° C (68 ° F). Nendes tingimustes on heli kohalik kiirus 343 meetrit sekundis (1235 km / h; 767 mph) - ehk 1 km 2,91 sekundis ja 1 miil 4,69 sekundis.
Klassifikatsioonid:
Nagu enamiku suhete puhul, on ka lähendid ja kategooriad, mida kasutatakse objekti kiiruse mõõtmiseks helitõkke suhtes. See annab meile kategooriad alaheli, transoon, üleheli, ja hüpersooniline. Seda klassifitseerimissüsteemi kasutatakse sageli õhusõidukite või kosmoseaparaatide klassifitseerimiseks, miinimumnõudeks on, et enamikul klassifitseeritud veesõidukitest on võimalik helikiirusele läheneda või seda ületada.
Lennukite või mis tahes objektide puhul, mis lendavad kiirusel alla helitõkke, klassifitseeritakse: alahelikiirus kehtib. Sellesse kategooriasse kuulub enamik pendelränne ja väikeseid kommertslennukit, ehkki on tehtud mõned erandid (st ülehelikiirusega kommertslennukid, nagu näiteks Concorde).
Kuna need veesõidukid ei vasta kunagi heli kiirusele ega ületa neid, on nende Machi arv väiksem kui üks ja seetõttu väljendatakse seda koma kujul - st alla Machi 0,8 (273 m / s; 980 km / h; 609 mph). Tavaliselt on need lennukid propelleriga käitatavad ning neil on kõrge tihedusega (õhukesed) tiivad ja ümarad omadused.
Nimetus transooniline "Lennukitüüp" kehtib lennutingimuste korral, kus õhusõiduki ümber ja taga on õhuvoolu kiiruste vahemik. Need kiirused jäävad samaaegselt helikiirusest allapoole, kiirusel ja sellest kõrgemal, ulatudes Machist 0,8 kuni 1,2 (273–409 m / s; 980–1 470 km / h; 609–914 mph). Transoonilistel lennukitel on peaaegu alati pühitud tiivad, mis põhjustab viivituse hajutamist, ja neid juhivad reaktiivmootorid.
Järgmine kategooria on üleheli lennukid. Need on veesõidukid, mis võivad liikuda kaugemale õhu tihendamisest, mis on “helitõke”. Nende veesõidukite Machi arv on tavaliselt vahemikus 1 kuni 5 (410–1 702 m / s; 1 470–6 126 km / h; 915–3806 mph). Ülehelikiirusel lendamiseks kavandatud õhusõidukitel on aerodünaamilises konstruktsioonis suured erinevused, kuna radikaalsete erinevuste tõttu on Machi kohal olevate voogude käitumine radikaalne.
Nende hulka kuuluvad teravad servad, õhukesed tiivaosad ja saba stabilisaatorid (teise nimega uimed) või kaaned (esiosad), mida saab reguleerida. Käsitöö jaoks, millel tavaliselt on see nimetus, on kaasaegsed hävituslennukid, spioonilennukid (nagu näiteks SR-71 Blackbird) ja eelnimetatud Concorde.
Viimane kategooria on ülehelikiirkond, mis kehtib õhusõidukite kohta, mis võivad ületada kiirust Mach 5 ja suudavad saavutada kiiruse isegi Mach 10 (1,702–3,403 m / s; 6,126–12,251 km / h; 3,806–7,680 km / h). Sellise kiirusega suudavad liikuda väga vähesed lennukid ja need on tavaliselt raketi jõul töötavad (näiteks X-15), scramjetid (nagu X-43 või HyperX) või kosmoseaparaadid, mis on Maa atmosfäärist lahkumise protsessis.
Teine näide on objektid, mis sisenevad Maa atmosfääri. Need võivad esineda uuesti sisenemist teostavate kosmoselaevadena või Maa atmosfääris läbi käinud ja lagunenud meteoriitidena. Näiteks Venemaal Tšeljabinski väikelinna kohal taevasse sisenenud meteoor liikus kiirusega umbes 19,16 ± 0,15 km / s (68,436 - 69,516 km / h; 42,524 - 43,195 mph). .
Teisisõnu, meteoriit liikus Machi 55 ja 56 vahel, kui see tabas meie atmosfääri! Arvestades selle tohutut kiirust, lõi meteoor Tšeljabinski kohal taevalainele nii võimsa helisignaali, et tekitas tuhandetele hoonetele ulatuslikku kahju kogu piirkonnas kuues linnas. Selle kahjustuse, mis hõlmas palju plahvatavaid aknaid, tagajärjel sai vigastada 1500 inimest.
Kui kiire on Mach One? Lühike vastus on, et see sõltub sellest, kus te viibite. Kuid üldiselt on see kiirus, mis ületab umbes 1200 km / h või 750 km / h. Kui olete võimeline seda kiiresti tegema, siis purunete helitõkkest ja läheduses olevad miilid kuulevad sellest!
Oleme kosmoseajakirjas kirjutanud palju huvitavaid heli käsitlevaid artikleid. Siin on Mis on heli ?, Mis on kiireim reaktiivlennuk maailmas? Mis on õhutakistus? Ja mida NASA kõlab?
Lisateabe saamiseks lugege NASA artiklit Machi numbri kohta ja siin on link Machi numbri õppetunni juurde.
Oleme salvestanud episoodi astronoomiast, kus räägiti kõike kosmosesüstiku kohta. Kuulake siin, episood 127: USA kosmosesüstik.
Allikad:
- NASA - Machi number
- Vikipeedia - Machi arv
- Aerospaceweb - heli kiirus, Machi arv ja helibarjäär
