Im Bereich der Physik gibt es bestimmte Barrieren, die der Mensch erkannt hat. Am bekanntesten ist die Lichtgeschwindigkeit, die maximale Geschwindigkeit, mit der sich alle konventionellen Materien und alle Arten von Informationen im Universum fortbewegen können. Dies ist eine Barriere, die die Menschheit möglicherweise niemals überwinden kann, vor allem, weil sie gegen eines der grundlegendsten Gesetze der Physik verstößt - Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie.
Aber was ist mit der Schallgeschwindigkeit? Dies ist eine weitere Barriere in der Physik, die die Menschheit jedoch überwinden konnte (tatsächlich mehrmals). Und wenn es darum geht, diese Barriere zu durchbrechen, verwenden Wissenschaftler eine sogenannte Machzahl, um die Strömungsgrenze über die lokale Schallgeschwindigkeit hinaus darzustellen. Mit anderen Worten, das Vorbeischieben an der Schallmauer wird als Mach 1 definiert. Wie schnell müssen Sie das tun?
Definition:
Wenn wir den Begriff Mach 1 hören, ist es leicht anzunehmen, dass es sich um die Schallgeschwindigkeit durch die Erdatmosphäre handelt. Dieser Begriff ist jedoch mehr geladen als Sie vielleicht denken. Die Wahrheit ist, dass eine Machzahl eher ein Verhältnis als eine tatsächliche direkte Geschwindigkeitsmessung ist. Und dieses Verhältnis ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Schallgeschwindigkeit aufgrund von Unterschieden in Temperatur und Luftdichte von einem Ort zum nächsten variiert.
Mathematisch kann dies als M = definiert werden u/c, wobei M die Machzahl ist, u ist die lokale Strömungsgeschwindigkeit in Bezug auf die Grenzen (d. h. die Geschwindigkeit des Objekts, das sich durch das Medium bewegt) und c ist die Schallgeschwindigkeit in diesem bestimmten Medium (d. h. lokale Atmosphäre, Wasser usw.).
Wenn die Schallgeschwindigkeit unterbrochen wird, entsteht ein sogenannter „Sonic Boom“. Dies ist das laute, knackende Geräusch, das mit den Stoßwellen verbunden ist, die von einem Objekt erzeugt werden, das sich schneller als die lokale Schallgeschwindigkeit bewegt. Beispiele reichen von einem Flugzeug, das die Schallmauer durchbricht, bis zu Miniaturauslegern, die durch vorbeifliegende Kugeln oder das Knacken einer Peitsche verursacht werden.
Schallgeschwindigkeit:
Grundsätzlich ist die Schallgeschwindigkeit die Entfernung, die eine Schallwelle in einer bestimmten Zeit zurücklegt, wenn sie sich durch ein elastisches Medium ausbreitet. Wie bereits erwähnt, ist dies kein universeller Wert, sondern hängt von der Zusammensetzung des Mediums und den Bedingungen dieses Mediums ab. Wenn wir von der Schallgeschwindigkeit sprechen, beziehen wir uns auf die Schallgeschwindigkeit in der Erdatmosphäre. Aber auch das kann variieren.
Wissenschaftler tendieren jedoch dazu, sich auf die Schallgeschwindigkeit zu verlassen, die in trockener Luft (d. H. Niedriger Luftfeuchtigkeit) und bei einer Temperatur von 20 ° C (68 ° F) als Standard gemessen wird. Unter diesen Bedingungen beträgt die lokale Schallgeschwindigkeit 343 Meter pro Sekunde (1.235 km / h) - oder 1 Kilometer in 2,91 s und 1 Meile in 4,69 s.
Klassifikationen:
Wie bei den meisten Verhältnissen gibt es Näherungen und Kategorien, mit denen die Geschwindigkeit des Objekts in Bezug auf die Schallmauer gemessen wird. Dies gibt uns die Kategorien von Unterschall, transsonisch, Überschall, und Hyperschall. Dieses Kategorisierungssystem wird häufig zur Klassifizierung von Flugzeugen oder Raumfahrzeugen verwendet. Die Mindestanforderung besteht darin, dass die meisten klassifizierten Fahrzeuge die Schallgeschwindigkeit erreichen oder überschreiten können.
Für Flugzeuge oder Gegenstände, die mit einer Geschwindigkeit unterhalb der Schallmauer fliegen, gilt die Klassifizierung von Unterschall gilt. Diese Kategorie umfasst die meisten Pendlerjets und kleinen Verkehrsflugzeuge, obwohl einige Ausnahmen festgestellt wurden (d. H. Überschall-Verkehrsflugzeuge wie die Concorde).
Da diese Fahrzeuge niemals die Schallgeschwindigkeit erreichen oder überschreiten, haben sie eine Machzahl, die kleiner als eins ist und daher in Dezimalform ausgedrückt wird - d. H. Weniger als Mach 0,8 (273 m / s; 980 km / h; 609 mph). Typischerweise sind diese Flugzeuge propellergetrieben und neigen dazu, Flügel mit hohem Seitenverhältnis (schlank) und abgerundeten Merkmalen zu haben.
Die Bezeichnung von transsonisch gilt für einen Flugzustand, in dem eine Reihe von Luftströmungsgeschwindigkeiten um und hinter dem Flugzeug vorhanden sind. Diese Geschwindigkeiten liegen gleichzeitig unter, bei und über der Schallgeschwindigkeit und reichen von Mach 0,8 bis 1,2 (273-409 m / s; 980-1.470 km / h; 609-914 mph). Transonic-Flugzeuge haben fast immer Flügel, die die Verzögerung der Widerstandsdivergenz verursachen, und werden von Düsentriebwerken angetrieben.
Die nächste Kategorie ist Überschall- Flugzeug. Dies sind Fahrzeuge, die sich über die Luftkompression hinaus bewegen können, die die „Schallmauer“ darstellt. Diese Fahrzeuge haben im Allgemeinen eine Machzahl zwischen 1 und 5 (410–1.702 m / s; 1.470–6.126 km / h; 915–3.806 mph). Flugzeuge, die für Überschallgeschwindigkeiten ausgelegt sind, weisen aufgrund der radikalen Unterschiede im Verhalten von Strömungen über Mach 1 große Unterschiede in ihrer aerodynamischen Konstruktion auf.
Dazu gehören scharfe Kanten, dünne Flügelabschnitte und Heckstabilisatoren (auch bekannt als Flossen) oder Canards (Vorderflügel), die angepasst werden können. Zu den Fahrzeugen mit dieser Bezeichnung gehören moderne Kampfflugzeuge, Spionageflugzeuge (wie die SR-71 Blackbird) und die oben genannte Concorde.
Die letzte Kategorie ist Hyperschall, der für Flugzeuge gilt, die die Geschwindigkeit von Mach 5 überschreiten und Geschwindigkeiten von bis zu Mach 10 erreichen können (1.702–3.403 m / s; 6.126–12.251 km / h; 3.806–7.680 mph). Nur sehr wenige Flugzeuge können sich mit solchen Geschwindigkeiten bewegen und sind in der Regel raketengetrieben (wie die X-15), Scramjets (wie die X-43 oder HyperX) oder Raumfahrzeuge, die gerade dabei sind, die Erdatmosphäre zu verlassen.
Ein weiteres Beispiel sind Objekte, die in die Erdatmosphäre gelangen. Dies können Raumfahrzeuge sein, die einen Wiedereintritt durchführen, oder Meteoriten, die in der Erdatmosphäre durchgegangen sind und sich dort aufgelöst haben. Beispielsweise bewegte sich der Meteor, der im Februar 2013 über der kleinen Stadt Tscheljabinsk in Russland in den Himmel trat, mit einer Geschwindigkeit von etwa 19,16 ± 0,15 km / s (68.436 - 69.516 km / h; 42.524 - 43.195 mph). .
Mit anderen Worten, der Meteorit bewegte sich zwischen Mach 55 und 56, als er unsere Atmosphäre traf! Angesichts seiner enormen Geschwindigkeit verursachte der Meteor, als er den Himmel über Tscheljabinsk erreichte, einen so starken Überschallknall, dass er Tausenden von Gebäuden in sechs Städten in der Region großen Schaden zufügte. Dieser Schaden, zu dem viele explodierende Fenster gehörten, führte dazu, dass 1.500 Menschen verletzt wurden.
Wie schnell ist Mach One? Die kurze Antwort ist, dass es davon abhängt, wo Sie sind. Im Allgemeinen ist es jedoch eine Geschwindigkeit, die etwa 1200 km / h überschreitet. Wenn Sie in der Lage sind, so schnell zu fahren, werden Sie die Schallmauer durchbrechen und die Leute in der Ferne werden davon hören!
Wir haben hier im Space Magazine viele interessante Artikel über Sound geschrieben. Was ist Sound? Was ist der schnellste Jet der Welt? Was ist Luftwiderstand? Und wie klingt die NASA?
Weitere Informationen finden Sie im Artikel der NASA über die Mach-Nummer. Hier finden Sie einen Link zu einer Lektion über die Mach-Nummer.
Wir haben eine Episode von Astronomy Cast rund um das Space Shuttle aufgenommen. Hören Sie hier, Episode 127: Das US Space Shuttle.
Quellen:
- NASA - Mach Nummer
- Wikipedia - Mach Nummer
- Aerospaceweb - Schallgeschwindigkeit, Machzahl & Schallmauer
