Скорость распространения звука: чему равен 1 Мах

Особенности скорости звука

Отличительной особенностью скорости звука является то, что она изменяется в зависимости от природы окружающей среды.

В частности, в чугуне скорость звука составляет около 5000 м / с, в пресной воде — 1450 м / с, в воздухе — 331 м / с (1200 км / ч). Определение «примерно» выбрано не случайно, так как на скорость вибрации звука влияют и другие факторы.

Для интересующего нас самолета факторы, влияющие на скорость звука:

1. температура (Т);
2. давление (P);
3. плотность (p);
4. влажность (f).

Перечисленные показатели тесно взаимосвязаны (например, плотность зависит от температуры, давления и влажности), а также от высоты над уровнем моря. Они также влияют на скорость звука.

Эта взаимосвязь четко показана в таблице ниже (по данным ИКАО).

Высота, м 05001000500001000020000

Главное здесь то, что скорость звука существенно меняется в зависимости от высоты тона.

Проблемы сверхзвукового полета

Каким бы ускоренным ни был нормальный самолет, он долго не сможет летать на сверхзвуковых скоростях. Дозвуковые плоскости более гладкие и округлые. А при полете на сверхзвуковых скоростях возникают другие аэродинамические условия.

Резко возрастает сопротивление воздуха, корпус самолета нагревается от трения. В результате обычный самолет потеряет устойчивость и может начать рушиться прямо в воздухе.

Сверхзвуковая авиация стала активно развиваться в 1950-1960-х годах. Первым серийным сверхзвуковым самолетом стал истребитель North American F-100 Super Sabre. Эта модель впервые полетела в 1953 году.

Также были созданы сверхзвуковые пассажирские самолеты, которые выполняли регулярные рейсы. Но их было всего 2: советский Ту-144 и англо-французский «Конкорд.

Сверхзвуковой пассажирский самолет Ту-144

Преимущество таких самолетов в том, что они могут преодолевать большие расстояния за короткий промежуток времени. Кроме того, сверхзвуковой самолет летит на большей высоте, чем обычный самолет. В результате воздушное пространство не перегружено. Но от их использования вскоре отказались из-за ряда недостатков:

• ударная волна;
• большой расход топлива;
• сложность операции;
• шум над аэродромом.

Громкий хлопок — это внезапное повышение давления перед летательным аппаратом, которое происходит, когда летательный аппарат начинает двигаться со сверхзвуковой скоростью (преодолевает звуковой барьер). Ударная волна перед летательным аппаратом распространяется по конусу. Человек, наблюдающий за полетом самолета, слышит аплодисменты, когда эта волна достигает его, и только тогда слышен двигатель. Ударная волна постоянно сопровождает самолет со сверхзвуковой скоростью. Однако хлопки в ладоши будут слышны только при пролете самолета в определенной точке, близкой к наблюдателю.

1 Мах — это сколько километров в секунду

Непостоянство скорости звука (в отличие от скорости света) было одной из причин, по которой в аэродинамике стал использоваться параметр под названием «Мах».

Мах характеризует движение летательного аппарата (ЛА) в воздушном потоке, другими словами, он показывает взаимосвязь между скоростью звука в воздухе, циркулирующем вокруг летательного аппарата, и скоростью самого летательного аппарата. То есть это безразмерная единица.

1 Мах на приборной панели кабины означает, что дрон движется со скоростью звука на определенной высоте.

Если самолет на этой высоте вдвое превысит скорость распространения звука, на приборной панели отобразится 2 Маха (2M). Общая формула расчета выглядит так:

В литературе также существует упрощенный подход, при котором число Маха переводится в линейную скорость (километры в час или в секунду). За единицу измерения берется 1 Мах, равный 1198,8 км / ч или 333 м / с, что эквивалентно скорости звука при нормальном атмосферном давлении (101,3 кПа) и нулевой температуре и влажности на поверхности земли.

Но, как отмечалось выше, атмосферные условия меняются с набором высоты, поэтому такой подход не считается правильным и не используется в математических расчетах для аэродинамики.

Когда высоко в небе мы видим струю, оставляющую за собой шлейф белого газа, и в какой-то момент мы слышим характерный хлопок, это означает, что самолет прошел звуковой барьер, то есть превысил значение 1 Max. (Максимум 1).

Справочная литература указывает, что максимальная скорость истребителя МиГ-29 составляет 2,3 Маха или 2450 км / ч. Получается, что в данном случае 1 Max = 1065 км / ч (295,8 м / с). Сравнивая это значение с табличными данными (см. Выше), мы увидим, что оно соответствует высоте около 18000 м, что фактически является практическим потолком МиГ-29.

Подведем итоги. Отвечая на вопрос «какова скорость Маха 1 в километрах в час», нам необходимо уточнить, о какой высоте полета идет речь. Посмотрите на таблицу выше и возьмите значение скорости звука, наиболее близкое к требуемой высоте, и умножьте его на единицу (1 Мах) или на 27, как в случае скорости Авангарда (читайте об этом ниже).

Преодоление скорости звука

Как ломается звуковой барьер? Самолет взлетает и постепенно разгоняется все больше и больше. Вокруг него обтекает сверхзвуковой воздушный поток, в результате чего в носовой части образуется ударная волна. Их может быть несколько, в зависимости от формы самолета.

Схема формирования ударной волны

В этой области резко возрастают давление и плотность окружающего воздуха. В тот момент, когда самолет превышает скорость звука, он проходит через эту область и раздается громкий взрыв, похожий на выстрел. Пилот в кабине не слышит никаких звуков — он учится преодолевать звуковой барьер только с помощью специальных датчиков. Также заслуживают внимания изменения в плане управления самолетом.

Громкий взрывной хлопок — это звуковой удар. Его можно услышать, стоя на поверхности земли, когда рядом летит самолет на сверхзвуковой скорости. Создаваемые им ударные волны можно визуально представить в виде конуса, сопровождающего самолет. Вершина конуса расположена в носовой части. Волны распространяются от него на большие расстояния.

Слух человека, стоящего на земле, улавливает границы этого воображаемого конуса. Внезапное повышение давления воспринимается как взрывной удар. С момента преодоления преграды самолет постоянно сопровождает звуковой удар. Однако щелчок будет слышен каждый раз, когда он зависнет над фиксированной точкой на поверхности.

Поскольку самолет движется быстрее звука, наблюдатель сначала услышит щелчок, а уже потом шум двигателя.

Звуковой гул достигает наблюдателя. Интересный факт: появление белого облака в хвостовой части самолета часто связывают с нарушением звукового барьера. Однако к звуковому барьеру это не имеет никакого отношения. Речь идет об эффекте Прандтля-Глауэрта — конденсации влаги сразу за движущимся столом.