في مجال الفيزياء ، هناك بعض الحواجز التي أصبح من الممكن التعرف عليها من قبل البشر. وأكثرها شهرة هو سرعة الضوء ، وهي السرعة القصوى التي يمكن أن تنتقل بها جميع المواد التقليدية وجميع أشكال المعلومات في الكون. هذا حاجز قد لا تتمكن البشرية من تجاوزه ، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن القيام بذلك ينتهك أحد قوانين الفيزياء الأساسية - نظرية أينشتاين للنسبية العامة.
ولكن ماذا عن سرعة الصوت؟ هذا عائق آخر في الفيزياء ، لكنه حاجز تمكنت البشرية من تحطيمه (عدة مرات في الواقع). وعندما يتعلق الأمر بكسر هذا الحاجز ، يستخدم العلماء ما يُعرف برقم Mach لتمثيل حدود التدفق بعد السرعة المحلية للصوت. وبعبارة أخرى ، يتم تعريف تجاوز حاجز الصوت على أنه Mach 1. فما مدى السرعة التي يتعين عليك القيام بها؟
تعريف:
عندما نسمع مصطلح Mach 1 ، من السهل افتراض أنها سرعة الصوت عبر الغلاف الجوي للأرض. لكن هذا المصطلح أكثر تحميلًا مما قد تعتقد. والحقيقة هي أن رقم Mach هو نسبة بدلاً من قياس مباشر فعلي للسرعة. وتعزى هذه النسبة إلى حقيقة أن سرعة الصوت تختلف من مكان إلى آخر ، بسبب الاختلافات في درجة الحرارة وكثافة الهواء.
رياضيا ، يمكن تعريف هذا بأنه M = ش/ج ، حيث M هو رقم Mach ، ش هي سرعة التدفق المحلي فيما يتعلق بالحدود (أي سرعة الجسم المتحرك عبر الوسط) ، و ج هي سرعة الصوت في تلك الوسيلة المعينة (أي الجو المحلي ، الماء ، إلخ).
عندما تنكسر سرعة الصوت ، ينتج عن ذلك ما يعرف باسم "ازدهار الصوت". هذا هو الصوت العالي المتصدع والمرتبط بموجات الصدمة التي يتم إنشاؤها بواسطة جسم يسير أسرع من سرعة الصوت المحلية. تتضمّن الأمثلة قيام طائرة بكسر حاجز الصوت إلى طفرات صغيرة ناتجة عن تحليق الرصاصات من قبل ، أو صدع الطائرة.
سرعة الصوت:
في الأساس ، فإن سرعة الصوت هي المسافة التي تقطعها موجة صوتية في فترة معينة من الوقت أثناء انتشارها عبر وسط مرن. كما لوحظ من قبل ، هذه ليست قيمة عالمية ، ولكنها تتعلق بتكوين الوسط وظروفه. عندما نتحدث عن سرعة الصوت ، نشير إلى سرعة الصوت في الغلاف الجوي للأرض. ولكن حتى هذا يخضع للتغيير.
ومع ذلك ، يميل العلماء إلى الاعتماد على سرعة الصوت مقاسة في الهواء الجاف (أي رطوبة منخفضة) وعند درجة حرارة 20 درجة مئوية (68 درجة فهرنهايت) كمعيار. في ظل هذه الظروف ، تبلغ سرعة الصوت المحلية 343 مترًا في الثانية (1235 كم / ساعة ؛ 767 ميلاً في الساعة) - أو كيلومترًا واحدًا في 2.91 ثانية و 1 ميل في 4.69 ثانية.
التصنيفات:
كما هو الحال مع معظم النسب ، هناك تقريبات وفئات يتم استخدامها لقياس سرعة الكائن فيما يتعلق بحاجز الصوت. هذا يعطينا فئات تحت الصوت ، عبر الصوت ، فوق الصوتي ، و تفوق سرعة الصوت. غالبًا ما يستخدم نظام التصنيف هذا لتصنيف الطائرات أو المركبات الفضائية ، والشرط الأدنى هو أن معظم المركبات المصنفة لديها القدرة على الاقتراب أو تجاوز سرعة الصوت.
للطائرة أو أي جسم يطير بسرعة تحت حاجز الصوت ، تصنيف دون سرعة الصوت ينطبق. تشمل هذه الفئة معظم الطائرات النفاثة والطائرات التجارية الصغيرة ، على الرغم من ملاحظة بعض الاستثناءات (أي الطائرات التجارية الأسرع من الصوت مثل كونكورد).
نظرًا لأن هذه المركبة لا تلبي أبدًا أو تتجاوز سرعة الصوت ، فسيكون لها رقم ماخ أقل من واحد وبالتالي يتم التعبير عنه في شكل عشري - أي أقل من 0.8 ماخ (273 م / ث ؛ 980 كم / ساعة ؛ 609 ميل في الساعة). عادةً ما تكون هذه الطائرات مدفوعة بمروحة وتميل إلى أن تكون ذات أجنحة ذات نسبة عرض إلى ارتفاع (رفيعة) وملامح مستديرة.
تعيين ترانسونيك ينطبق على حالة الرحلة حيث توجد مجموعة من سرعات تدفق الهواء حول الطائرة وبعدها. هذه السرعات متزامنة دون سرعة الصوت وأعلى منها ، وتتراوح من ماخ 0.8 إلى 1.2 (273-409 م / ث ؛ 980-1،470 كم / ساعة ؛ 609-914 ميل في الساعة). لطالما اجتاحت الطائرات العابرة للأجنحة أجنحة ، مما تسبب في تأخير اختلاف السحب ، ويتم تشغيلها بواسطة المحركات النفاثة.
الفئة التالية هي أسرع من الصوت الطائرات. إنها حرفة يمكنها أن تتجاوز ضغط الهواء الذي يمثل "حاجز الصوت". عادة ما يكون لهذه المركبة عدد ماخ يتراوح بين 1 و 5 (410-1702 م / ث ؛ 1،470-6126 كم / ساعة ؛ 915-3806 ميل في الساعة). تظهر الطائرات المصممة للطيران بسرعات تفوق سرعة الصوت اختلافات كبيرة في تصميمها الديناميكي الهوائي بسبب الاختلافات الجذرية في سلوك التدفقات فوق ماخ 1.
وتشمل هذه الحواف الحادة ، والأقسام ذات الأجنحة الرقيقة ، ومثبتات الذيل (المعروفة أيضًا بالزعانف) أو الكانوردات (الأجنحة الأمامية) القادرة على التعديل. تتضمن الحرف التي عادة ما يكون هذا التصنيف طائرات مقاتلة حديثة وطائرات تجسس (مثل SR-71 Blackbird) وكونكورد المذكورة أعلاه.
الفئة الأخيرة هي أسرع من الصوت ، والتي تنطبق على الطائرات التي يمكن أن تتجاوز سرعة ماخ 5 ويمكن أن تحقق سرعات تصل إلى ماخ 10 (1،702–3،403 م / ث ؛ 6،126–12،251 كم / ساعة ؛ 3،806-7،680 ميل في الساعة). يمكن لعدد قليل جدًا من الطائرات أن تتحرك بهذه السرعات ، وتميل إلى أن تكون تعمل بالصواريخ (مثل X-15) ، أو مركبات سكرامجيت (مثل X-43 ، أو HyperX) ، أو مركبة فضائية في طريقها لمغادرة الغلاف الجوي للأرض.
مثال آخر هو الأجسام التي تدخل الغلاف الجوي للأرض. يمكن أن تأخذ هذه الأشكال شكل مركبة فضائية تقوم بالعودة أو النيازك التي مرت وانفصلت في الغلاف الجوي للأرض. على سبيل المثال ، كان النيزك الذي دخل السماء فوق مدينة تشيليابينسك الصغيرة في روسيا في فبراير 2013 يسير بسرعة حوالي 19.16 ± 0.15 كم / ثانية (68،436 - 69،516 كم / ساعة ؛ 42،524 - 43،195 ميل في الساعة) .
وبعبارة أخرى ، كان النيزك يسير بين 55 و 56 ماخ عندما ضرب الغلاف الجوي! نظرًا لسرعتها الهائلة ، عندما وصل النيزك إلى السماء فوق تشيليابينسك ، خلق ازدهارًا صوتيًا قويًا لدرجة أنه تسبب في أضرار واسعة النطاق لآلاف المباني في ست مدن عبر المنطقة. أدى هذا الضرر ، الذي تضمن الكثير من النوافذ المتفجرة ، إلى إصابة 1500 شخص.
ما مدى سرعة Mach One؟ الجواب المختصر هو أنه يعتمد على مكان وجودك. ولكن بشكل عام ، إنها سرعة تتجاوز 1200 كم / ساعة أو 750 ميل في الساعة. إذا كنت قادرًا على السير بهذه السرعة ، فسوف تكسر حاجز الصوت ، وسيسمع الناس لأميال حوله!
لقد كتبنا العديد من المقالات المثيرة للاهتمام حول الصوت هنا مجلة الفضاء. إليك ما هو الصوت ؟، ما هي أسرع طائرة في العالم ؟، ما هي مقاومة الهواء ؟، وماذا تشبه وكالة ناسا؟
لمزيد من المعلومات ، راجع مقالة وكالة ناسا حول رقم Mach ، وإليك رابط إلى درس حول رقم Mach.
لقد سجلنا حلقة من فريق علم الفلك حول مكوك الفضاء. استمع هنا ، الحلقة 127: مكوك الفضاء الأمريكي.
مصادر:
- وكالة ناسا - رقم ماخ
- ويكيبيديا - رقم ماخ
- Aerospaceweb - سرعة الصوت ورقم الماخ وحاجز الصوت
