Как найти мах скорость

У этого термина существуют и другие значения, см. Мах.

Число́ Ма́ха (M) — в механике сплошных сред — один из критериев подобия в механике жидкости и газа. Представляет собой отношение скорости течения в данной точке газового потока к местной скорости распространения звука в движущейся среде — назван по имени австрийского учёного Эрнста Маха (нем. E. Mach).

Историческая справка[править | править код]

Название число Маха и обозначение M предложил в 1929 году^[1] Якоб Аккерет^[2]. Ранее в литературе встречалось название число Берстоу^[1][3] (Bairstow^[en], обозначение Ba), а в советской послевоенной научной литературе и, в частности, в советских учебниках 1950-х годов — название число Маиевского^[4] (число Маха — Маиевского) по имени основателя русской научной школы баллистики, пользовавшегося этой величиной, вместе с этим обозначение употребляется без специального названия^[5].

Число Маха в газовой динамике[править | править код]

Число Маха

где  — скорость потока, а  — местная скорость звука,

является мерой влияния сжимаемости среды в потоке данной скорости на его поведение: из уравнения состояния идеального газа следует, что относительное изменение плотности (при постоянной температуре) пропорционально изменению давления:

из закона Бернулли разность давлений в потоке , то есть относительное изменение плотности:

Поскольку скорость звука , то относительное изменение плотности в газовом потоке пропорционально квадрату числа Маха:

Наряду с числом Маха используются и другие характеристики безразмерной скорости течения газа:

коэффициент скорости

и безразмерная скорость

где  — критическая скорость,

 — максимальная скорость в газе,

 — показатель адиабаты газа, равный отношению удельных теплоёмкостей газа при постоянных давлении и объёме соответственно.

Важность значения числа Маха[править | править код]

Важное значение числа Маха объясняется тем, что оно определяет, превышает ли скорость течения газовой среды (или движения в газе тела) скорость звука или нет. Сверхзвуковые и дозвуковые режимы движения имеют принципиальные различия; для авиации это различие выражается в том, что при сверхзвуковых режимах возникают узкие слои быстрого значительного изменения параметров течения (ударные волны), приводящие к росту сопротивления тел при движении, концентрации тепловых потоков у их поверхности и возможности прогорания корпуса тел и тому подобное.

Скорость	Дозвуковая скорость	Трансзвуковая скорость[en]	Скорость звука	Сверхзвуковая скорость	Гиперзвуковая скорость	Гиперскорость[en]	Вход в атмосферу
Числа Маха	<0,8	0,8–1,2	=1	1,2–5,0	5,0–8,8	8,8–25,0	>25

Предельно упрощённое объяснение числа Маха[править | править код]

Очень упрощённо можно сказать, что численное выражение числа Маха при неизменной линейной скорости летательного аппарата зависит прежде всего от высоты полёта (при одинаковой линейной скорости движения, чем больше высота, тем ниже скорость звука, до некоторой высоты, выше число Маха), так как с ростом высоты падает температура воздуха. Число Маха — это истинная скорость относительно вещества (то есть скорость, с которой воздух обтекает, например, самолёт), делённая на скорость звука в этом веществе в этих условиях. У земли скорость, при которой число Маха будет равно 1, будет равна приблизительно 340 м/с (скорость, с использованием которой люди оценивают расстояние до приближающейся грозы, измеряя время от вспышки молнии до дошедших раскатов грома), или 1224 км/ч. На высоте 11 км из-за падения температуры скорость звука ниже — около 295 м/с, или 1062 км/ч.

Такое объяснение не может использоваться для каких бы то ни было математических расчётов скорости или иных математических операций по аэродинамике.

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

• Число Маха // Физическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1988.
• ГОСТ 25431-82 Таблица динамических давлений и температур торможения воздуха в зависимости от числа Маха

Ссылки[править | править код]

Здравствуйте, уважаемые читатели блога KtoNaNovenkogo.ru. Понятие скорости известно нам ещё со школьной скамьи. Если говорить о её физической сущности, то это – расстояние, пройденное движущимся телом (материальной точкой) за определённый промежуток времени.

В качестве расстояния выступают как системные, так и внесистемные единицы (метры, мили, дюймы, углы и др.), время же определяется в секундах или часах. Таким образом, скорость можно выразить многообразием величин, таких как метр в секунду (м/сек), километр в час (км/час), радиан в секунду (1/сек) и т.д.

Несмотря на то, что вышеупомянутые обозначения скорости без труда конвертируются одно в другое, существует ряд областей, где удобно (или исторически принято) измерять скорость в специфических единицах.

Например, моряки предпочитают «узел» (морская миля в час). В астрономии пользуются лучевой (радиальной) скоростью, в космонавтике – космическими скоростями (там их три).

В авиации же, где приходится иметь дело со сверхзвуковыми скоростями, точкой отсчёта, как правило, служит скорость распространения звуковых волн в газообразной среде (проще – скорость звука в воздухе).

Это обусловило появление такой единицы измерения, как «число Маха» (в честь австрийского физика-экспериментатора в области аэродинамики Эрнста Маха). Зачем это нужно, поговорим ниже (а попутно отметим, что к фразе «дал(а) маху» этот учёный отношения не имеет).

Особенности скорости звука

Отличительной чертой скорости звука является то, что она изменяется в зависимости от характера окружающей среды.

В частности, в чугуне скорость звука приблизительно равна 5000 м/сек, в пресной воде – 1450 м/сек, в воздухе – 331 м/сек (1200 км/час). Определение «приблизительно» выбрано неслучайно, поскольку на быстроту прохождения звуковых колебаний влияют и другие факторы.

Для интересующей нас воздушной среды факторами, влияющими на скорость звука, являются:

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

Перечисленные показатели тесно взаимосвязаны между собой (так, плотность является функцией от температуры, давления и влажности), а также с высотой над уровнем моря. Влияют они и на скорость звука.

Наглядно эта взаимосвязь показана в нижеприведённой таблице (по данным ИКАО).

Высота, м	0	500	1000	5000	10000	20000
Давление, кПа	101,3	95,5	89,9	54,0	26,4	5,5
Плотность, кг/м3	1,22	1,17	1,11	0,74	0,41	0,09
Температура, 0С	15	12	8	-18	-50	-56
Скорость звука, м/сек	340,3	338,4	336,4	320,5	299,5	295,0

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

1 Мах — это сколько километров в секунду

Непостоянство скорости звука (в отличие от скорости света) явилось одной из причин того, что в аэродинамике стали пользоваться параметром, получившим название «Мах».

Мах характеризует движение летательного аппарата (ЛА) в воздушном потоке, иными словами, показывает соотношение между скоростью звука в воздушной среде, обтекающей ЛА, и скоростью самого ЛА. То есть является безразмерной единицей.

1 Мах на приборной доске кабины пилота означает, что самолёт движется со скоростью звука на конкретной высоте.

Если самолет превысит скорость распространения звука на этой высоте в два раза, то на приборной панели будет красоваться 2 Мах (2 М). Общая формула расчета выглядит так:

В литературе встречается и упрощенный подход, где число Маха переводится в линейную скорость (километры в час или в секунду). В качестве эталонной единицы 1 Мах принимается равным 1 198,8 км/час или 333 м/сек, что эквивалентно скорости звука при нормальном атмосферном давлении (101,3 кПа) и нулевой температуре и влажности у поверхности Земли.

Но, как отмечено выше, атмосферные условия меняются с набором высоты, поэтому такой подход не считается корректным и не используется в математических расчётах по аэродинамике.

Когда высоко в небе мы видим реактивный самолёт, оставляющий за собой белый газовый шлейф, а в какой-то момент слышим характерный хлопок, это значит, что самолёт преодолел звуковой барьер, то есть превысил значение 1 Мах (Мах˃1).

В справочной литературе указано, что максимальная скорость истребителя МиГ-29 составляет 2,3 Маха или 2450 км/час. Получается, что в данном случае 1 Мах = 1065 км/час (295,8 м/сек). Сравнив это значение с табличными данными (см. выше), увидим, что оно соответствует высоте порядка 18 000 м, что на самом деле и является практическим потолком МиГ-29.

Подытожим. Отвечая на вопрос «какова скорость 1 маха в километрах в час» мы должны, уточнить о какой высоте полета идет речь. Посмотреть на приведенную выше таблицу и взять наиболее близкое к нужной высоте значение скорости звука и умножить его на единицу (1 Мах) или на 27, как в случае со скоростью Авангарда (об этом читайте ниже).

27 Махов — это мечта или реальность

1. Скорость от 1 до 5 Махов считается сверхзвуковой
2. Более 5 Махов – гиперзвуковой
3. 23 Маха – это уже первая космическая скорость

А вот о скорости в 27 Махов заговорили в конце 2018 года, когда гиперзвуковая ракета боевого назначения «Авангард» преодолела этот рубеж на пусковых испытаниях, что сделало её недосягаемой для средств противовоздушной обороны противника.

Если принять упрощённый подход, о котором говорилось выше, то 27 Махов – это порядка 9 000 м/сек или 32 400 км/час. Но это у поверхности Земли. На высоте в 10 км это будет уже порядка 8 000 м/сек (27 х 299,5) или 28 800 км/час. В любом случае трудно себе представить, что материальное тело может летать с такой скоростью.

Хотя, что я говорю? Посадочные модули космических кораблей (и сами корабли — наш Буран или американские шаттлы) входят в атмосферу земли и на бОльших скоростях. Например, если американцы действительно были на луне, то входить в атмосферу земли при возвращении они должны были на скорости 40 Махов!

Поэтому 27 Махов — это реальность, доступная человечеству еще в шестидесятые года прошлого столетия (глупости про то, что нет материалов способных защитить от неизбежного при этом перегрева, я отнесу на необразованность).

Так в чем же инновация Авангардов? В том, что они могут достаточно долго лететь на этой скорости (планировать) и при этом маневрировать и по высоте, и по углу.

Сбить летящую на бешенной скорости, но по заданной траектории цель не сложно (простая математика). Другое дело сбить цель, которая на такой скорости хаотично (непредсказуемо) маневрирует. Для этого противоракета должна двигаться еще быстрее, а вот это уже невозможно (вверх лететь, это вам не вниз падая планировать).

В то же время следует отметить, что ракетный двигатель не в состоянии обеспечить длительный установившийся полёт на такой скорости. Эту задачу учёные и конструкторы пытаются решить с помощью гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД), способного работать непрерывно в течение десятков минут.

Так что исследования по созданию полноценного гиперзвукового ЛА продолжаются как в России, так и за рубежом. Видимо, у нас они уже дали результат либо было найдено альтернативное решение.

Почему еще можно быть уверенным, что Авангард действительно соответствует заявленным МО характеристикам?

Посудите сами. Удар был нанесен по цели на камчатском полигоне, который отстоит всего на сотню миль от американских радаров, и которые без проблем могут отследить чуть ли не всю важнейшую стадию полета инновационной ракеты. Для чего это сделали? Можно было ведь и другие полигоны использовать?

Нужно было дать возможность противнику убедиться в заявленных характеристиках. Они убедились и это очень важно (остужает горячие головы). Теперь уже пусть они ломают голову, как это возможно и на каких физических принципах основано.

From Wikipedia, the free encyclopedia

Mach number (M or Ma) (; German: [max]) is a dimensionless quantity in fluid dynamics representing the ratio of flow velocity past a boundary to the local speed of sound.^[1][2]
It is named after the Austrian physicist and philosopher Ernst Mach.

where:

M is the local Mach number,

u is the local flow velocity with respect to the boundaries (either internal, such as an object immersed in the flow, or external, like a channel), and

c is the speed of sound in the medium, which in air varies with the square root of the thermodynamic temperature.

By definition, at Mach 1, the local flow velocity u is equal to the speed of sound. At Mach 0.65, u is 65% of the speed of sound (subsonic), and, at Mach 1.35, u is 35% faster than the speed of sound (supersonic). Pilots of high-altitude aerospace vehicles use flight Mach number to express a vehicle’s true airspeed, but the flow field around a vehicle varies in three dimensions, with corresponding variations in local Mach number.

The local speed of sound, and hence the Mach number, depends on the temperature of the surrounding gas. The Mach number is primarily used to determine the approximation with which a flow can be treated as an incompressible flow. The medium can be a gas or a liquid. The boundary can be traveling in the medium, or it can be stationary while the medium flows along it, or they can both be moving, with different velocities: what matters is their relative velocity with respect to each other. The boundary can be the boundary of an object immersed in the medium, or of a channel such as a nozzle, diffuser or wind tunnel channeling the medium. As the Mach number is defined as the ratio of two speeds, it is a dimensionless number. If M < 0.2–0.3 and the flow is quasi-steady and isothermal, compressibility effects will be small and simplified incompressible flow equations can be used.^[1][2]

Etymology[edit]

The Mach number is named after physicist and philosopher Ernst Mach,^[3] and is a designation proposed by aeronautical engineer Jakob Ackeret in 1929.^[4] As the Mach number is a dimensionless quantity rather than a unit of measure, the number comes after the unit; the second Mach number is Mach 2 instead of 2 Mach (or Machs). This is somewhat reminiscent of the early modern ocean-sounding unit mark (a synonym for fathom), which was also unit-first, and may have influenced the use of the term Mach. In the decade preceding faster-than-sound human flight, aeronautical engineers referred to the speed of sound as Mach’s number, never Mach 1.^[5]

Overview[edit]

Mach number is a measure of the compressibility characteristics of fluid flow: the fluid (air) behaves under the influence of compressibility in a similar manner at a given Mach number, regardless of other variables.^[6] As modeled in the International Standard Atmosphere, dry air at mean sea level, standard temperature of 15 °C (59 °F), the speed of sound is 340.3 meters per second (1,116.5 ft/s; 761.23 mph; 1,225.1 km/h; 661.49 kn).^[7] The speed of sound is not a constant; in a gas, it increases proportionally to the square root of the absolute temperature, and since atmospheric temperature generally decreases with increasing altitude between sea level and 11,000 meters (36,089 ft), the speed of sound also decreases. For example, the standard atmosphere model lapses temperature to −56.5 °C (−69.7 °F) at 11,000 meters (36,089 ft) altitude, with a corresponding speed of sound (Mach 1) of 295.0 meters per second (967.8 ft/s; 659.9 mph; 1,062 km/h; 573.4 kn), 86.7% of the sea level value.

Appearance in the continuity equation[edit]

As a measure of flow compressibility, the Mach number can be derived from an appropriate scaling of the continuity equation.^[8] The full continuity equation for a general fluid flow is:

where is the material derivative, is the density, and is the flow velocity. For isentropic pressure-induced density changes, where is the speed of sound. Then the continuity equation may be slightly modified to account for this relation:

The next step is to nondimensionalize the variables as such:

where is the characteristic length scale, is the characteristic velocity scale, is the reference pressure, and is the reference density. Then the nondimensionalized form of the continuity equation may be written as:

where the Mach number . In the limit that , the continuity equation reduces to — this is the standard requirement for incompressible flow.

Classification of Mach regimes[edit]

While the terms subsonic and supersonic, in the purest sense, refer to speeds below and above the local speed of sound respectively, aerodynamicists often use the same terms to talk about particular ranges of Mach values. This occurs because of the presence of a transonic regime around flight (free stream) M = 1 where approximations of the Navier-Stokes equations used for subsonic design no longer apply; the simplest explanation is that the flow around an airframe locally begins to exceed M = 1 even though the free stream Mach number is below this value.

Meanwhile, the supersonic regime is usually used to talk about the set of Mach numbers for which linearised theory may be used, where for example the (air) flow is not chemically reacting, and where heat-transfer between air and vehicle may be reasonably neglected in calculations.

In the following table, the regimes or ranges of Mach values are referred to, and not the pure meanings of the words subsonic and supersonic.

Generally, NASA defines high hypersonic as any Mach number from 10 to 25, and re-entry speeds as anything greater than Mach 25. Aircraft operating in this regime include the Space Shuttle and various space planes in development.

Regime	Flight speed	General plane characteristics
(Mach)	(knots)	(mph)	(km/h)	(m/s)
Subsonic	<0.8	<530	<609	<980	<273	Most often propeller-driven and commercial turbofan aircraft with high aspect-ratio (slender) wings, and rounded features like the nose and leading edges. The subsonic speed range is that range of speeds within which, all of the airflow over an aircraft is less than Mach 1. The critical Mach number (Mcrit) is lowest free stream Mach number at which airflow over any part of the aircraft first reaches Mach 1. So the subsonic speed range includes all speeds that are less than Mcrit.
Transonic	0.8–1.2	530–794	609–914	980–1,470	273–409	Transonic aircraft nearly always have swept wings, causing the delay of drag-divergence, and often feature a design that adheres to the principles of the Whitcomb Area rule. The transonic speed range is that range of speeds within which the airflow over different parts of an aircraft is between subsonic and supersonic. So the regime of flight from Mcrit up to Mach 1.3 is called the transonic range.
Supersonic	1.2–5.0	794–3,308	915–3,806	1,470–6,126	410–1,702	The supersonic speed range is that range of speeds within which all of the airflow over an aircraft is supersonic (more than Mach 1). But airflow meeting the leading edges is initially decelerated, so the free stream speed must be slightly greater than Mach 1 to ensure that all of the flow over the aircraft is supersonic. It is commonly accepted that the supersonic speed range starts at a free stream speed greater than Mach 1.3. Aircraft designed to fly at supersonic speeds show large differences in their aerodynamic design because of the radical differences in the behavior of flows above Mach 1. Sharp edges, thin aerofoil-sections, and all-moving tailplane/canards are common. Modern combat aircraft must compromise in order to maintain low-speed handling; “true” supersonic designs include the F-104 Starfighter, MiG-31, North American XB-70 Valkyrie, SR-71 Blackbird, and BAC/Aérospatiale Concorde.
Hypersonic	5.0–10.0	3,308–6,615	3,806–7,680	6,126–12,251	1,702–3,403	The X-15, at Mach 6.72 is one of the fastest manned aircraft. Also, cooled nickel-titanium skin; highly integrated (due to domination of interference effects: non-linear behaviour means that superposition of results for separate components is invalid), small wings, such as those on the Mach 5 X-51A Waverider.
High-hypersonic	10.0–25.0	6,615–16,537	7,680–19,031	12,251–30,626	3,403–8,508	The NASA X-43, at Mach 9.6 is one of the fastest aircraft. Thermal control becomes a dominant design consideration. Structure must either be designed to operate hot, or be protected by special silicate tiles or similar. Chemically reacting flow can also cause corrosion of the vehicle’s skin, with free-atomic oxygen featuring in very high-speed flows. Hypersonic designs are often forced into blunt configurations because of the aerodynamic heating rising with a reduced radius of curvature.
Re-entry speeds	>25.0	>16,537	>19,031	>30,626	>8,508	Ablative heat shield; small or no wings; blunt shape. Russia’s Avangard (hypersonic glide vehicle) is claimed to reach up to Mach 27.

High-speed flow around objects[edit]

Flight can be roughly classified in six categories:

Regime	Subsonic	Transonic	Speed of sound	Supersonic	Hypersonic	Hypervelocity
Mach	<0.8	0.8–1.2	1.0	1.2–5.0	5.0–10.0	>8.8

For comparison: the required speed for low Earth orbit is approximately 7.5 km/s = Mach 25.4 in air at high altitudes.

At transonic speeds, the flow field around the object includes both sub- and supersonic parts. The transonic period begins when first zones of M > 1 flow appear around the object. In case of an airfoil (such as an aircraft’s wing), this typically happens above the wing. Supersonic flow can decelerate back to subsonic only in a normal shock; this typically happens before the trailing edge. (Fig.1a)

As the speed increases, the zone of M > 1 flow increases towards both leading and trailing edges. As M = 1 is reached and passed, the normal shock reaches the trailing edge and becomes a weak oblique shock: the flow decelerates over the shock, but remains supersonic. A normal shock is created ahead of the object, and the only subsonic zone in the flow field is a small area around the object’s leading edge. (Fig.1b)

Fig. 1. Mach number in transonic airflow around an airfoil; M < 1 (a) and M > 1 (b).

When an aircraft exceeds Mach 1 (i.e. the sound barrier), a large pressure difference is created just in front of the aircraft. This abrupt pressure difference, called a shock wave, spreads backward and outward from the aircraft in a cone shape (a so-called Mach cone). It is this shock wave that causes the sonic boom heard as a fast moving aircraft travels overhead. A person inside the aircraft will not hear this. The higher the speed, the more narrow the cone; at just over M = 1 it is hardly a cone at all, but closer to a slightly concave plane.

At fully supersonic speed, the shock wave starts to take its cone shape and flow is either completely supersonic, or (in case of a blunt object), only a very small subsonic flow area remains between the object’s nose and the shock wave it creates ahead of itself. (In the case of a sharp object, there is no air between the nose and the shock wave: the shock wave starts from the nose.)

As the Mach number increases, so does the strength of the shock wave and the Mach cone becomes increasingly narrow. As the fluid flow crosses the shock wave, its speed is reduced and temperature, pressure, and density increase. The stronger the shock, the greater the changes. At high enough Mach numbers the temperature increases so much over the shock that ionization and dissociation of gas molecules behind the shock wave begin. Such flows are called hypersonic.

It is clear that any object traveling at hypersonic speeds will likewise be exposed to the same extreme temperatures as the gas behind the nose shock wave, and hence choice of heat-resistant materials becomes important.

High-speed flow in a channel[edit]

As a flow in a channel becomes supersonic, one significant change takes place. The conservation of mass flow rate leads one to expect that contracting the flow channel would increase the flow speed (i.e. making the channel narrower results in faster air flow) and at subsonic speeds this holds true. However, once the flow becomes supersonic, the relationship of flow area and speed is reversed: expanding the channel actually increases the speed.

The obvious result is that in order to accelerate a flow to supersonic, one needs a convergent-divergent nozzle, where the converging section accelerates the flow to sonic speeds, and the diverging section continues the acceleration. Such nozzles are called de Laval nozzles and in extreme cases they are able to reach hypersonic speeds (Mach 13 (15,900 km/h; 9,900 mph) at 20 °C).

An aircraft Machmeter or electronic flight information system (EFIS) can display Mach number derived from stagnation pressure (pitot tube) and static pressure.

Calculation[edit]

When the speed of sound is known, the Mach number at which an aircraft is flying can be calculated by

where:

M is the Mach number

u is velocity of the moving aircraft and

c is the speed of sound at the given altitude (more properly temperature)

and the speed of sound varies with the thermodynamic temperature as:

where:

is the ratio of specific heat of a gas at a constant pressure to heat at a constant volume (1.4 for air)

is the specific gas constant for air.

is the static air temperature.

If the speed of sound is not known, Mach number may be determined by measuring the various air pressures (static and dynamic) and using the following formula that is derived from Bernoulli’s equation for Mach numbers less than 1.0. Assuming air to be an ideal gas, the formula to compute Mach number in a subsonic compressible flow is:^[9]

where:

q_c is impact pressure (dynamic pressure) and

p is static pressure

is the ratio of specific heat of a gas at a constant pressure to heat at a constant volume (1.4 for air)

The formula to compute Mach number in a supersonic compressible flow is derived from the Rayleigh supersonic pitot equation:

Calculating Mach number from pitot tube pressure[edit]

Mach number is a function of temperature and true airspeed.
Aircraft flight instruments, however, operate using pressure differential to compute Mach number, not temperature.

Assuming air to be an ideal gas, the formula to compute Mach number in a subsonic compressible flow is found from Bernoulli’s equation for M < 1 (above):^[9]

The formula to compute Mach number in a supersonic compressible flow can be found from the Rayleigh supersonic pitot equation (above) using parameters for air:

where:

q_c is the dynamic pressure measured behind a normal shock.

As can be seen, M appears on both sides of the equation, and for practical purposes a root-finding algorithm must be used for a numerical solution (the equation’s solution is a root of a 7th-order polynomial in M² and, though some of these may be solved explicitly, the Abel–Ruffini theorem guarantees that there exists no general form for the roots of these polynomials). It is first determined whether M is indeed greater than 1.0 by calculating M from the subsonic equation. If M is greater than 1.0 at that point, then the value of M from the subsonic equation is used as the initial condition for fixed point iteration of the supersonic equation, which usually converges very rapidly.^[9] Alternatively, Newton’s method can also be used.

See also[edit]

• Critical Mach number – lowest Mach number at which the airflow over some point of the aircraft reaches the speed of sound
• Machmeter – Flight instrument
• Ramjet – Atmospheric jet engine designed to operate at supersonic speeds
• Scramjet – Jet engine where combustion takes place in supersonic airflow
• Speed of sound – Speed of sound wave through elastic medium
• True airspeed – speed of the aircraft relative to the airmass in which it is flying
• Orders of magnitude (speed)

Notes[edit]

External links[edit]

• Gas Dynamics Toolbox Calculate Mach number and normal shock wave parameters for mixtures of perfect and imperfect gases.
• NASA’s page on Mach Number Interactive calculator for Mach number.
• NewByte standard atmosphere calculator and speed converter

Вы думаете, что скорость звука – всегда одинаковая? Вы хотели бы узнать, почему сверхзвуковую скорость измеряют в числе Маха, а не в км/ч? Постараюсь объяснить всё это предельно просто. Потому как написав про гиперзвуковые ракеты «Кинжал», просто невозможно было обойти стороной вопрос: «Что же такое «сверхзвук», «гиперзвук» и «число Маха»?».

Конечно, в рамках статьи объяснить, что такое скорость звука (особенно, когда она гиперзвуковая) практически невозможно. Но основные понятия я всё-таки предоставлю.

Это как объяснить кратко, что такое дом – это стены, пол, потолок, окна, двери и крыша. Что такое многоэтажка – это тоже самое что дом, только с лестницей. Что такое высотка – это тоже самое что многоэтажка, только с мусоропроводом и лифтом. Примерно вот в таком вот виде получится объяснить, что такое гиперзвук.

Итак, давайте разбираться вместе.

Что такое скорость звука?

Как всем известно из «Физики», скорость звука = 340 м/сек (1224 км/ч) – это время от начала вспышки молнии до первого раската грома. Так впервые её вычислили, на том и порешили. Аминь.

Но нужно хорошо понимать, что скорость звука – это совсем не тоже самое, что скорость машины или самолета. А всё потому, что звук – это волна!

Скорость звука нельзя вычислить по формуле «расстояние деленное на время».

Волна ведет себя по-другому. И поэтому в газах, в жидкостях и в твёрдых телах – скорость звука разная.

На скорость звука влияет:

• плотность;
• упругость среды;
• давление;
• удельный объем;
• температура;
• и еще куча разных «мелочей».

Если сказать предельно просто, то скорость звука зависит от всех свойств среды, в которой он летит.

А вот влажность воздуха на скорость звука оказывает очень малое влияние, всего десятые доли процента между 0% и 100%, поэтому ею просто пренебрегают и в параметрах МСА ее просто нет.

Например, скорость звука при идеальных условиях (температура +15, давление 750 мм. рт. ст., относительная влажность 0%) – 340 м/сек, в углекислом газе – 250 м/сек, в чистом кислороде – 316 м/сек, в азоте – 334 м/сек, в воде – около 1500 м/сек, а в алмазе – 12000 м/сек.

Чем плотнее среда, тем быстрее распространяются волны и тем быстрее скорость звука. Как видите, разница более чем существенная.

Новейшие измерения скорости звука

Совсем недавно, физиками Англии и России в 2020 году была впервые рассчитана максимально возможная скорость звука, внимание (!) в 36000 м/сек. Эта скорость была достигнута в среде твёрдого атомарного металлического водорода, давление которого превышало 1.000.000 атмосфер.

Представляете: 36 километров в секунду!

Этот рекорд побил предыдущий рекорд скорости звука в 12 км/сек, который был рассчитан для самого твердого материала известного на земле – алмаза.

Что такое число М (Маха)?

Постараюсь совсем не сложно объяснить, для чего нужно «число М» и почему именно в нём измеряются скорости сверхзвуковых и гиперзвуковых самолетов и ракет.

Как мы уже выяснили – скорость звука далеко не одинакова даже в воздухе. У самой поверхности Земли скорость звука равняется 340 м/сек. А на высоте более 11 км и температура ниже, и давление ниже, и там скорость звука уже будет равна 295 м/сек.

Становится понятно, что скорость звука нельзя использовать для точных математических расчетов в аэродинамике, так как это значение непостоянное.

Поэтому решили взять некую константу – число Маха.

Число Маха было названо по имени австрийского учёного Эрнста Маха. Однако, в советской послевоенной научной литературе и учебниках 1950-х годов писали не «число Маха», а именно «число М» и что этому числу дали имя основателя русской научной школы баллистики Маиевского. Ну, ладно, не в этом суть…

Число М – это отношение скорости движения воздуха к скорости звука. Оно характеризует изменение плотности воздуха от изменения скорости. Количественное изменение плотности и скорости в процентном отношении квадрат числа М показывает, на сколько изменится плотность воздуха при изменении его скорости движения на 1%. Синус угла наклона ударной волны (или линии Маха) равен 1/М.

Было решено, что 1 Мах = 340 м/сек (скорость звука в МСА – международной стандартной атмосфере на уровне моря).

Таким образом получается, что если взять абсолютно одинаковую скорость, то чем выше летит самолет от Земли, тем ниже скорость звука и выше число Маха.

Как скорость звука меняется от высоты?

От 0 до 10 км ввысь, скорость звука будет постепенно уменьшаться. На высоте 10 км скорость звука равна 299 м/сек (где летают обычные пассажирские самолеты), что на 12% ниже, чем возле поверхности Земли.

Это происходит из-за того, что воздух становится более разряженный, плотность, температура, влажность и давление также понижаются с высотой. Поэтому волне распространяться уже сложнее.

От 11 км до 18 км скорость звука составит 295 м/сек. Там плотность и другие характеристики воздуха практически не меняются. Этот слой атмосферы называется – тропопауза (остановка). Он считается переходным и у него нет четких границ. Он примерно в 17 километрах над экватором и в 9 километрах над полярным кругом.

Выше 18-20 км скорость звука опять начинает постепенно уменьшатся.

Что такое «сверхзвук» и «гиперзвук»?

Теперь о том, какая скорость может считаться «сверхзвуковой», а какая «гиперзвуковой» и в чём их разница?

Как мы уже поняли, на разной высоте скорость звука разная, а константа «число Маха» одинаковая. И поэтому скорость самолета или ракеты стали писать, как число Маха, т.е. часть от скорости звука именно на той высоте, на которой летит аппарат.

1. Скорость до 1 Маха – это дозвуковая скорость

Например, самолет летит на высоте 10 км и его скорость 0,84 М (Маха).

Таким образом можно легко рассчитать скорость самолета. Берем скорость 299 м/сек (скорость звука на 10 км), переводим в километры в час и получаем 1076 км/ч. Теперь умножаем на 0,84 и получаем 904 км/час – это скорость обычного пассажирского дозвукового самолета, такого как ТУ-134 или Боинга.

2. Скорость от 1 до 5 Махов – это сверхзвук

Например, мы знаем, что СУ-27 имеет максимальную скорость 2,35 Маха и летает на 18 км от Земли. Давайте подсчитаем, сколько это будет в километрах. Берем 295 м/сек (скорость звука на 18 км) и считаем: 1062 х 2,35 = 2495,7, что примерно и составляет 2500 км/час – скорость сверхзвуковых самолетов Су-27, Су-57 или МиГ-31.

3. Скорость от 5 Махов и выше – это гиперзвук

Гиперзвуковые ракеты «Кинжал» летят со скоростью 5,13 Махов. Проделав все вышеописанные расчёты получаем, что скорость составляет 1700 м/сек или 6100 км/час.

Почему число Маха такое важное?

Нужно хорошо понимать, что «число М» в авиации – это не количественная, а качественная величина – это не скорость как мы её понимаем, а критерий, показывающий насколько скорость больше или меньше скорости звука.

Вот почему так важно число М (Мах) в аэродинамике и именно в нём указываются сверхзвуковые и гиперзвуковые скорости.

Гиперзвуковая скорость самолета или ракеты – это скорость, значительно превосходящая скорость звука в атмосфере. И при гиперзвуковых скоростях на арену выступают уже другие законы физики и аэродинамики. Самые понятные слова: ударная волна, конденсат, высокотемпературный поток и скорость обтекания. Но это уже совсем другая история…

Вместо заключения

Хочу рассказать старый советский анекдот, он немного не по теме, но очень мне его хочется рассказать:

Встречаются на аэродроме американский новенький стелс-бомбардировщик B-2 Spirit и советский старенький «Кукурузник».

Американцы сквозь смех:

– Спорим не догоните? Устроим гонку?

Наши сдаваться не привыкли, поспорили. А сами думают, как же не опозорится и придумали – ночью привязали «Кукурузник» к их бомбардировщику тросом.

Утром начинается гонка. Взлетает американский самолет, следом наш. Американский командир спрашивает у помощников:

– Как там русские?

– На хвосте, сэр!

Разгоняются до 1000 км/ч, командир снова спрашивает:

– Как там русские, отстали?

– Всё ещё на хвосте, сэр!

У американцев шок, командир психует и требует разогнаться еще в 2 раза быстрее, на грани возможностей мощного новейшего стелса.

Наш «Кукурузник» на тросе уже весь дребезжит, начали отваливаться шасси и загибаться крылья.

Американец снова спрашивает:

– Джон, ну сейчас то они отстали?!

– Нет, сэр, похоже мы проиграли… нужно возвращаться на аэродром.

– Почему?

– Русские только сейчас убрали шасси и меняют геометрию крыла!

Понравилась статья? Если «да», то ставьте лайк. Лайк – лучшее спасибо! Пишите комментарии – это возможность поспорить и найти истину. Подписывайтесь, будет интересно!

Мах это отношение скорости предмета или летательного аппарата к скорости звука Мах показывает во сколько раз скорость больше скорости звука. 1 Мах равен 1198.801 километров в час 19.98002 километров в минуту 0.333 километров в секунду автор вопроса выбрал этот ответ лучшим Один МАХ равен примерно скорости звука в воздухе. У поверхности земли, при соответствующем давлении атмосферы это около 350 метров секунду. Это соотношение будет другим, по мере отдаления от земной поверхности, где скорость распространения звука другая. Но если взять за эталон выше указанные цифры, то 1 мах при переводе в километры в секунду будет 0,350 километра в секунду. Ну а далее уже скорость звука умножается на количество махов. Таким образом, заявленная максимальная скорость крылатых ракет поступающих на вооружение в Российскую армию достигающую 20 махов, может переводится как около 24 000 километров в час (!) А это уже раздел гиперсверхзвуковых скоростей. Но не стоит забывать о том что эта внесистемная единица измерения скорости напрямую зависит от скорости звука, а значит и среды в которой он распространяется. Число Маха представляет собой отношение скорости движения в некоей точке газового потока к местной скорости расстаивания звука в движущейся среде, необходимой областью применения является аэродинамика. При движении со сверхзвуковой скоростью объект обязательно оставляет звуковую волну, фронт которой имеет форму параболы с объектом в вершине. На скорость движения в потоке, характеризуемой числом Маха, влияет так называемая вязкость среды – обычные параметры, для сравнения это начальная скорость пули 1М прим.= 331 м/сек,более высокие скорости по НАСА имеют «быстрый» гиперзвук имеет диапазон скоростей 10-25 М. В Рокот­ов [278K] 5 лет назад  Вопрос получил неожиданную актуальность в связи с посланием Владимира Путина Федеральному собранию, где нашему заокенскому другу был показан ответ, обладающий гиперзвуковой скоростью>20 Махов. За число Маха (Эрнст Мах, 1838-1916)принимаетс­я скорость звука; упрощенно это скорость, с которой воздух обтекает летящий самолёт, с разницей от ее скорости в конкретной среде, скорость 1М зависит от высоты, температуры воздуха и вязкости среды. Например, при температуре 20°С на уровне земли скорость звука примерно 343 метров/секунду, 1224 км/ч, а на уровне моря = 295м/сек, чем выше, тем температура и давление ниже обычных, и скорость соответсвенно -ниже, вообще чтобы перевести скорость из 1МАХ в скорость км/ч , нужно знать скорость звука в определенной среде. Одува­нчик Даша [41.3K] 5 лет назад  Мах является отношением скорости предмета к скорости звука. То есть мах является внесистемная единицей измерения, которая напрямую зависит от скорости звука. В среднем (или чаще всего) 1 мах равен 1/3 километра в секунду или же почти 1200 километров в час (1198,8 км/час если быть точнее). Но, еще раз напоминаю о том, что Один мах (единица названа в честь Эрнста Маха) применительно к скорости самолета равен скорости звука в воздухе, который обтекает самолет. При нормальных условиях (давление 1 атмосфера, температура 0 градусов по Цельсию) скорость звука в сухом воздухе равна 330 метров в секунду или 0,33 км/с или примерно 1200 км/час. Но самолеты, для измерения скорости которых иногда используют эту единицу, не летают в “в сухом воздухе при нормальных условиях”. Поэтому в каждом конкретном случае 1 мах будет своим, и он зависит прежде всего от давления воздуха, а также от его влажности. Так, с высотой давление падает, а скорость звука снижается. Например, на высоте более 10 км эта скорость уже меньше 300 м/с. В давние времена жил физик Эрнст Мах (Ernst Mach), профессор, эксперементатор. Такие определения “конус Маха”, ” угол Маха” , так же ввел такое понятие, как ” принцип относительности Маха”. Число Мах, это отношение скорости полета авиационной техники, относительно скорости звука. Среднее упрощенное значение 1 Мах третья часть километра в секунду. isa-isa [73.9K] 5 лет назад  Один Мах – это единица, измерения скорости звука. При стандартном давлении воздуха над уровнем моря и температуре +20 градусов один мах равен 1238 километров в час и соответственно приблизительно 0,350 километров в секунду. У земли скорость, соответствующая одному маху будет примерно 0,340 км в секунду, а на высоте 11 км из-за падения температуры скорость будет ниже – около 0,295 км/с или 1062 км/ч. Интересно знать, что скорость звука изменяется и влияет на нее температура, влажность воздуха и давление. В твердых средах скорость звука значительно выше, например через твердые пластмассы – 2500 м/с, через сталь около 5000 м/с и 6000 м/с через некоторые виды стекла. Через воду звук проходит со скоростью 1500 м/с. Maria Muzja [66K] 5 лет назад  Известно, что “мах” – это ведь единица такая измерения скорости звука. Но звук движется с разной скоростью в разных (различных) средах, используется “мах” даже в авиации, во всяких исследованиях. 1 мах равен 1225,04 км/ч, более подробно тут. 1 мах равен 0,333 км/с. gr0m0­va [20.5K] 5 лет назад  Единица измерения один мах, которая была названа в честь Эрнста Маха, равна скорости звука в воздухе. 1 мх равен приблизительно 0.333 километров в секунду. Но эта цифра может меняться от давления воздуха, его влажности или других факторов. Знаете ответ?