Trong lĩnh vực vật lý, có những rào cản nhất định mà con người đã nhận ra. Nổi tiếng nhất là tốc độ ánh sáng, tốc độ tối đa mà tất cả các vật chất thông thường và mọi dạng thông tin trong Vũ trụ đều có thể di chuyển. Đây là một rào cản mà nhân loại có thể không bao giờ có thể vượt qua, chủ yếu là vì làm như vậy vi phạm một trong những định luật vật lý cơ bản nhất - Thuyết Einstein Einstein về Thuyết tương đối rộng.
Nhưng còn tốc độ của âm thanh thì sao? Đây là một rào cản khác trong vật lý, nhưng là một điều mà nhân loại đã có thể phá vỡ (thực tế nhiều lần so với thực tế). Và khi nói đến việc phá vỡ rào cản này, các nhà khoa học sử dụng cái được gọi là Số Mach để thể hiện ranh giới dòng chảy vượt qua tốc độ âm thanh cục bộ. Nói cách khác, đẩy qua hàng rào âm thanh được định nghĩa là Mach 1. Vậy bạn phải làm điều đó nhanh đến mức nào?
Định nghĩa:
Khi chúng ta nghe thấy thuật ngữ Mach 1, có thể dễ dàng cho rằng đó là tốc độ âm thanh thông qua bầu khí quyển Trái đất. Tuy nhiên thuật ngữ này được tải nhiều hơn bạn nghĩ. Sự thật là Số Mach là một tỷ lệ chứ không phải là phép đo tốc độ trực tiếp thực tế. Và tỷ lệ này là do tốc độ âm thanh thay đổi từ vị trí này sang vị trí khác, do sự khác biệt về nhiệt độ và mật độ không khí.
Về mặt toán học, điều này có thể được định nghĩa là M = bạn/c, Trong đó M là số Mach, bạn là tốc độ dòng chảy cục bộ đối với các ranh giới (nghĩa là tốc độ của vật thể di chuyển qua môi trường) và c là tốc độ âm thanh trong phương tiện đặc biệt đó (tức là không khí cục bộ, nước, v.v.).
Khi tốc độ của âm thanh bị phá vỡ, điều này dẫn đến kết quả là một âm thanh bùng nổ của Âm thanh. Đây là âm thanh lớn, nứt có liên quan đến sóng xung kích được tạo ra bởi một vật thể di chuyển nhanh hơn tốc độ âm thanh cục bộ. Các ví dụ bao gồm một chiếc máy bay phá vỡ rào cản âm thanh thành tiếng nổ nhỏ do đạn bay qua, hoặc vết nứt của đạn.
Tốc độ âm thanh:
Về cơ bản, tốc độ của âm thanh là quãng đường truyền trong một khoảng thời gian nhất định bởi một sóng âm khi nó truyền qua một môi trường đàn hồi. Như đã lưu ý, đây không phải là một giá trị phổ quát, nhưng đi vào thành phần của phương tiện và các điều kiện của phương tiện đó. Khi chúng ta nói về tốc độ âm thanh, chúng ta đề cập đến tốc độ âm thanh trong bầu khí quyển Trái đất. Nhưng ngay cả điều đó có thể thay đổi.
Tuy nhiên, các nhà khoa học có xu hướng dựa vào tốc độ âm thanh được đo trong không khí khô (tức là độ ẩm thấp) và ở nhiệt độ 20 ° C (68 ° F) làm tiêu chuẩn. Trong các điều kiện này, tốc độ âm thanh cục bộ là 343 mét mỗi giây (1.235 km / h; 767 dặm / giờ) - hoặc 1 km trong 2,91 giây và 1 dặm trong 4,69 giây.
Phân loại:
Như với hầu hết các tỷ lệ, có các xấp xỉ và loại được sử dụng để đo tốc độ của đối tượng liên quan đến rào cản âm thanh. Điều này cho chúng tôi các loại cận âm, siêu âm, siêu âm, và siêu âm. Hệ thống phân loại này thường được sử dụng để phân loại máy bay hoặc tàu vũ trụ, yêu cầu tối thiểu là hầu hết các tàu được phân loại có khả năng tiếp cận hoặc vượt quá tốc độ âm thanh.
Đối với máy bay hoặc bất kỳ vật thể nào bay với tốc độ dưới hàng rào âm thanh, việc phân loại cận âm áp dụng. Danh mục này bao gồm hầu hết các máy bay phản lực đi lại và máy bay thương mại nhỏ, mặc dù một số trường hợp ngoại lệ đã được ghi nhận (tức là máy bay thương mại siêu thanh như máy bay Concorde).
Vì các nghề này không bao giờ đáp ứng hoặc vượt quá tốc độ âm thanh, chúng sẽ có số Mach nhỏ hơn một và do đó được biểu thị ở dạng thập phân - tức là nhỏ hơn Mach 0,8 (273 m / s; 980 km / h; 609 mph). Thông thường, các máy bay này được điều khiển bằng cánh quạt và có xu hướng có tỷ lệ khung hình (thanh mảnh) cao và các đặc điểm tròn.
Việc chỉ định transonic áp dụng cho một điều kiện của chuyến bay trong đó một loạt các vận tốc dòng khí tồn tại xung quanh và qua máy bay. Các tốc độ này đồng thời ở dưới, tại và trên tốc độ âm thanh, dao động từ Mach 0,8 đến 1,2 (273-409 m / s; 980-1,470 km / h; 609-914 dặm / giờ). Máy bay Transonic gần như luôn có cánh quét, gây ra sự chậm trễ của phân kỳ kéo và được điều khiển bởi động cơ phản lực.
Thể loại tiếp theo là siêu âm thanh phi cơ. Đây là những nghề thủ công có thể vượt ra ngoài sức nén của không khí, đó là rào cản âm thanh. Những chiếc máy bay này thường có số Mach từ 1 đến 5 (410 trừ1.702 m / s; 1.470 trừ6.126 km / h; 915-3.806 dặm / giờ). Máy bay được thiết kế để bay ở tốc độ siêu thanh cho thấy sự khác biệt lớn trong thiết kế khí động học của chúng do sự khác biệt căn bản trong hành vi của dòng chảy trên Mach 1.
Chúng bao gồm các cạnh sắc nét, phần cánh mỏng và bộ ổn định đuôi (còn gọi là vây) hoặc canard (lời nói đầu) có khả năng điều chỉnh. Các máy bay thường có chỉ định này bao gồm máy bay chiến đấu hiện đại, máy bay do thám (như SR-71 Blackbird) và chiếc Concorde đã nói ở trên.
Loại cuối cùng là siêu âm, áp dụng cho máy bay có thể vượt quá tốc độ Mach 5 và có thể đạt tốc độ cao tới Mach 10 (1.702 Nhiệt3,403 m / s; 6.126 Ảo12,251 km / h; 3,806, 78080 dặm / giờ). Rất ít máy bay có thể di chuyển với tốc độ như vậy và có xu hướng chạy bằng tên lửa (như X-15), scramjets (như X-43 hoặc HyperX) hoặc tàu vũ trụ đang trong quá trình rời khỏi bầu khí quyển Trái đất.
Một ví dụ khác là các vật thể đi vào bầu khí quyển Trái đất. Chúng có thể ở dạng tàu vũ trụ thực hiện việc nhập lại, hoặc các thiên thạch đã đi qua và vỡ ra trong bầu khí quyển Trái đất. Ví dụ, thiên thạch bay vào bầu trời phía trên thị trấn nhỏ ở phía trên thị trấn Chelyabinsk, Nga, vào tháng 2 năm 2013 đang di chuyển với tốc độ khoảng 19,16 ± 0,15 km / s (68,436 - 69,516 km / h; 42,524 - 43,195 dặm / giờ) .
Nói cách khác, thiên thạch đang di chuyển giữa Mach 55 và 56 khi nó va vào bầu khí quyển của chúng ta! Với tốc độ khủng khiếp của nó, khi thiên thạch chạm tới bầu trời phía trên Chelyabinsk, nó đã tạo ra một vụ nổ âm thanh mạnh mẽ đến mức gây ra thiệt hại lớn cho hàng ngàn tòa nhà ở sáu thành phố trong khu vực. Thiệt hại này, bao gồm rất nhiều cửa sổ phát nổ, khiến 1.500 người bị thương.
Vậy Mach One nhanh như thế nào? Câu trả lời ngắn gọn là nó phụ thuộc vào bạn đang ở đâu. Nhưng nói chung, nó là tốc độ vượt quá khoảng 1200 km / h hoặc 750 dặm / giờ. Nếu bạn có khả năng đi nhanh như vậy, bạn sẽ phá vỡ rào cản âm thanh và mọi người xung quanh sẽ nghe về nó!
Chúng tôi đã viết nhiều bài viết thú vị về âm thanh ở đây Tạp chí Vũ trụ. Ở đây, Âm thanh là gì?, Máy bay phản lực nhanh nhất thế giới là gì?, Sức cản không khí là gì?, Và Âm thanh của NASA như thế nào?
Để biết thêm thông tin, hãy xem Bài viết của NASA về Số Mach, và ở đây, một liên kết đến một bài học về Số Mach.
Chúng tôi đã ghi lại một tập của Thiên văn học đúc tất cả về tàu con thoi. Nghe ở đây, Tập 127: Tàu con thoi Hoa Kỳ.
Nguồn:
- NASA - Số Mach
- Wikipedia - Số Mach
- Aerospaceweb - Tốc độ của âm thanh, số Mach và rào cản âm thanh
