Binnen het domein van de natuurkunde zijn er bepaalde barrières die mensen zijn gaan herkennen. De meest bekende is de lichtsnelheid, de maximale snelheid waarmee alle conventionele materie en alle vormen van informatie in het heelal kunnen reizen. Dit is een barrière die de mensheid misschien nooit zal kunnen passeren, vooral omdat dit een van de meest fundamentele natuurkundige wetten schendt: Einsteins theorie van algemene relativiteitstheorie.
Maar hoe zit het met de geluidssnelheid? Dit is een andere barrière in de natuurkunde, maar een die de mensheid heeft kunnen doorbreken (meerdere keren zelfs). En als het gaat om het doorbreken van deze barrière, gebruiken wetenschappers wat bekend staat als een Mach-nummer om de stroomgrens voorbij de lokale geluidssnelheid weer te geven. Met andere woorden, het passeren van de geluidsbarrière wordt gedefinieerd als Mach 1. Dus hoe snel moet je dat gaan doen?
Definitie:
Als we de term Mach 1 horen, is het gemakkelijk om aan te nemen dat het de geluidssnelheid door de atmosfeer van de aarde is. Deze term is echter meer geladen dan je zou denken. De waarheid is dat een Mach-getal eerder een verhouding is dan een daadwerkelijke directe snelheidsmeting. En deze verhouding is te wijten aan het feit dat de geluidssnelheid van locatie tot locatie varieert als gevolg van verschillen in temperatuur en luchtdichtheid.
Wiskundig kan dit worden gedefinieerd als M = u/c, waar M het Mach-nummer is, u is de lokale stroomsnelheid met betrekking tot de grenzen (d.w.z. de snelheid van het object dat door het medium beweegt), en c is de geluidssnelheid in dat specifieke medium (d.w.z. lokale atmosfeer, water, enz.).
Wanneer de geluidssnelheid wordt verbroken, resulteert dit in wat bekend staat als een "sonische knal". Dit is het luide, krakende geluid dat wordt geassocieerd met de schokgolven die worden veroorzaakt door een object dat sneller reist dan de lokale geluidssnelheid. Voorbeelden zijn een vliegtuig dat de geluidsbarrière doorbreekt tot miniatuurgieken veroorzaakt door voorbijvliegende kogels of het kraken van een bullwhip.
Snelheid van geluid:
In wezen is de geluidssnelheid de afstand die in een bepaalde tijd door een geluidsgolf wordt afgelegd terwijl deze zich voortplant door een elastisch medium. Zoals eerder opgemerkt, is dit geen universele waarde, maar komt het neer op de samenstelling van het medium en de condities van dat medium. Als we het hebben over de snelheid van geluid, verwijzen we naar de snelheid van geluid in de atmosfeer van de aarde. Maar zelfs dat is onderhevig aan variatie.
Wetenschappers zijn echter geneigd te vertrouwen op de geluidssnelheid zoals gemeten in droge lucht (d.w.z. lage luchtvochtigheid) en bij een temperatuur van 20 ° C (68 ° F) als standaard. Onder deze omstandigheden is de lokale geluidssnelheid 343 meter per seconde (1235 km / h; 767 mph) - of 1 kilometer in 2,91 s en 1 mijl in 4,69 s.
Classificaties:
Zoals bij de meeste ratio's, zijn er benaderingen en categorieën die worden gebruikt om de snelheid van het object te meten in relatie tot de geluidsbarrière. Dit geeft ons de categorieën van subsonisch, transonisch, supersonisch, en hypersonisch. Dit categorisatiesysteem wordt vaak gebruikt om vliegtuigen of ruimtevaartuigen te classificeren, met als minimumvereiste dat de meeste geclassificeerde vaartuigen de geluidssnelheid kunnen naderen of overschrijden.
Voor vliegtuigen of enig ander object dat met een snelheid onder de geluidsbarrière vliegt, de classificatie van subsonisch is van toepassing. Deze categorie omvat de meeste forenzenjets en kleine commerciële vliegtuigen, hoewel er enkele uitzonderingen zijn opgemerkt (d.w.z. supersonische commerciële jets zoals de Concorde).
Aangezien deze vaartuigen nooit de geluidssnelheid halen of overschrijden, hebben ze een Mach-nummer dat kleiner is dan één en daarom wordt uitgedrukt in decimale vorm - d.w.z. minder dan Mach 0,8 (273 m / s; 980 km / h; 609 mph). Doorgaans worden deze vliegtuigen door propellers aangedreven en hebben ze meestal een hoge aspectverhouding (slanke) vleugels en afgeronde kenmerken.
De aanduiding van transonisch is van toepassing op een vluchttoestand waarbij een reeks luchtstroomsnelheden bestaat rond en voorbij het vliegtuig. Deze snelheden liggen gelijktijdig onder, bij en boven de geluidssnelheid, variërend van Mach 0,8 tot 1,2 (273-409 m / s; 980-1.470 km / h; 609-914 mph). Transonische vliegtuigen hebben bijna altijd geveegde vleugels, waardoor vertraging van de sleepdivergentie wordt veroorzaakt, en worden aangedreven door straalmotoren.
De volgende categorie is supersonisch vliegtuigen. Dit zijn vaartuigen die verder kunnen gaan dan de compressie van lucht, de 'geluidsbarrière'. Deze vaartuigen hebben over het algemeen een Mach-nummer tussen 1 en 5 (410-1,702 m / s; 1.470-6.126 km / h; 915-3.806 mph). Vliegtuigen die zijn ontworpen om met supersonische snelheden te vliegen, vertonen grote verschillen in hun aerodynamische ontwerp vanwege de radicale verschillen in het gedrag van stromen boven Mach 1.
Deze omvatten scherpe randen, dunne vleugelsecties en staartstabilisatoren (ook bekend als vinnen) of canards (voorvleugels) die kunnen worden aangepast. Vaartuigen die typisch deze benaming hebben, zijn onder meer moderne straaljagers, spionagevliegtuigen (zoals de SR-71 Blackbird) en de eerder genoemde Concorde.
De laatste categorie is hypersonisch, wat van toepassing is op vliegtuigen die de snelheid van Mach 5 kunnen overschrijden en snelheden kunnen bereiken tot Mach 10 (1702–3403 m / s; 6.126–12.251 km / h; 3.806–7.680 mph). Zeer weinig vliegtuigen kunnen met zulke snelheden bewegen en hebben de neiging om raketaangedreven te zijn (zoals de X-15), scramjets (zoals de X-43 of HyperX) of ruimtevaartuigen die bezig zijn de atmosfeer van de aarde te verlaten.
Een ander voorbeeld zijn objecten die de atmosfeer van de aarde binnenkomen. Deze kunnen de vorm aannemen van ruimtevaartuigen die opnieuw binnenkomen, of meteorieten die zijn gepasseerd en in de atmosfeer van de aarde zijn gebroken. Bijvoorbeeld, de meteoor die de lucht boven het kleine stadje Chelyabinsk, Rusland, in februari 2013 binnenkwam, reisde met een snelheid van ongeveer 19,16 ± 0,15 km / s (68,436 - 69,516 km / h; 42,524 - 43,195 mph) .
Met andere woorden, de meteoriet reisde tussen Mach 55 en 56 toen hij onze atmosfeer trof! Gezien de enorme snelheid, toen de meteoor de lucht boven Chelyabinsk bereikte, veroorzaakte het een zo sterke klank dat het duizenden gebouwen in zes steden in de regio enorm beschadigde. Door deze schade, waaronder veel exploderende ramen, raakten 1.500 mensen gewond.
Dus hoe snel is Mach One? Het korte antwoord is dat het afhangt van waar je bent. Maar over het algemeen is het een snelheid die hoger is dan ongeveer 1200 km / h of 750 mph. Als je in staat bent om zo snel te gaan, zal je de geluidsbarrière doorbreken en zullen mensen van over de hele wereld erover horen!
We hebben hier veel interessante artikelen over geluid geschreven Space Space. Hier is wat is geluid? Wat is de snelste jet ter wereld? Wat is luchtweerstand? En hoe klinkt NASA?
Raadpleeg voor meer informatie NASA's artikel over het Mach-nummer en hier is een link naar een les over het Mach-nummer.
We hebben een aflevering van Astronomy Cast opgenomen over de spaceshuttle. Luister hier, aflevering 127: The US Space Shuttle.
Bronnen:
- NASA - Mach-nummer
- Wikipedia - Mach-nummer
- Aerospaceweb - Speed of Sound, Mach Number & Sound Barrier
