Nel regno della fisica, ci sono alcune barriere che gli esseri umani hanno imparato a riconoscere. La più nota è la velocità della luce, la velocità massima alla quale tutta la materia convenzionale e tutte le forme di informazione nell'Universo possono viaggiare. Questa è una barriera che l'umanità potrebbe non essere mai in grado di oltrepassare, soprattutto perché così facendo viola una delle leggi fondamentali della fisica: la teoria della relatività generale di Einstein.
Ma per quanto riguarda la velocità del suono? Questa è un'altra barriera in fisica, ma che l'umanità è stata in grado di rompere (più volte in effetti). E quando si tratta di rompere questa barriera, gli scienziati usano ciò che è noto come un numero di Mach per rappresentare il limite del flusso oltre la velocità locale del suono. In altre parole, passare oltre la barriera del suono è definito come Mach 1. Quindi, quanto velocemente devi farlo?
Definizione:
Quando sentiamo il termine Mach 1 è facile supporre che sia la velocità del suono attraverso l'atmosfera terrestre. Tuttavia, questo termine è più carico di quanto si possa pensare. La verità è che un numero Mach è un rapporto piuttosto che una misurazione diretta effettiva della velocità. E questo rapporto è dovuto al fatto che la velocità del suono varia da una posizione all'altra, a causa delle differenze di temperatura e densità dell'aria.
Matematicamente, questo può essere definito come M = u/c, dove M è il numero di Mach, u è la velocità del flusso locale rispetto ai confini (cioè la velocità dell'oggetto che si muove attraverso il mezzo), e c è la velocità del suono in quel particolare mezzo (ad es. atmosfera locale, acqua, ecc.).
Quando la velocità del suono viene interrotta, ciò si traduce in un "boom sonico". Questo è il suono forte e crepitante associato alle onde d'urto create da un oggetto che viaggia più velocemente della velocità locale del suono. Gli esempi includono un velivolo che rompe la barriera del suono con boom miniaturizzati causati da proiettili che volano o dalla crepa di una nave.
Velocità del suono:
Fondamentalmente, la velocità del suono è la distanza percorsa in una certa quantità di tempo da un'onda sonora mentre si propaga attraverso un mezzo elastico. Come già notato, questo non è un valore universale, ma si riduce alla composizione del mezzo e alle condizioni di quel mezzo. Quando parliamo della velocità del suono, ci riferiamo alla velocità del suono nell'atmosfera terrestre. Ma anche questo è soggetto a variazioni.
Tuttavia, gli scienziati tendono a fare affidamento sulla velocità del suono misurata nell'aria secca (cioè bassa umidità) e ad una temperatura di 20 ° C (68 ° F) come standard. In queste condizioni, la velocità locale del suono è di 343 metri al secondo (1.235 km / h; 767 mph) - o 1 chilometro in 2.91 se 1 miglio in 4.69 s.
Classificazioni:
Come nella maggior parte dei rapporti, esistono approssimazioni e categorie che vengono utilizzate per misurare la velocità dell'oggetto in relazione alla barriera del suono. Questo ci dà le categorie di subsonico, transonico, supersonico, e supersonico. Questo sistema di categorizzazione viene spesso utilizzato per classificare aeromobili o veicoli spaziali, il requisito minimo è che la maggior parte delle imbarcazioni classificate hanno la capacità di avvicinarsi o superare la velocità del suono.
Per gli aeromobili o qualsiasi oggetto che vola ad una velocità inferiore alla barriera del suono, la classificazione di subsonico si applica. Questa categoria include la maggior parte dei getti per pendolari e piccoli aerei commerciali, sebbene siano state notate alcune eccezioni (vale a dire getti commerciali supersonici come il Concorde).
Dato che queste imbarcazioni non incontrano o superano mai la velocità del suono, avranno un numero di Mach che è inferiore a uno e quindi espresso in forma decimale, ovvero inferiore a Mach 0,8 (273 m / s; 980 km / h; 609 mph). In genere, questi velivoli sono azionati da eliche e tendono ad avere ali ad alto rapporto di aspetto (sottili) e caratteristiche arrotondate.
La designazione di transonico si applica a una condizione di volo in cui esiste una gamma di velocità del flusso d'aria attorno e oltre l'aeromobile. Queste velocità sono contemporaneamente inferiori, ae superiori alla velocità del suono, che vanno da Mach 0,8 a 1,2 (273-409 m / s; 980-1,470 km / h; 609-914 mph). I velivoli transonici hanno quasi sempre ali battute, causando il ritardo della divergenza di resistenza e sono guidati da motori a reazione.
La prossima categoria è supersonico velivoli. Queste sono imbarcazioni che possono spostarsi oltre la compressione dell'aria che è la "barriera del suono". Queste imbarcazioni hanno generalmente un numero di Mach compreso tra 1 e 5 (410–1.702 m / s; 1.470–6.126 km / h; 915-3.806 mph). Gli aeromobili progettati per volare a velocità supersoniche mostrano grandi differenze nel loro design aerodinamico a causa delle differenze radicali nel comportamento dei flussi sopra Mach 1.
Questi includono spigoli vivi, sezioni sottili delle ali e stabilizzatori di coda (alias. Pinne) o canard (zampe anteriori) che sono in grado di adattarsi. Le imbarcazioni che di solito hanno questa designazione includono moderni caccia, aerei spia (come l'SR-71 Blackbird) e il già citato Concorde.
L'ultima categoria è ipersonica, che si applica agli aeromobili che possono superare la velocità di Mach 5 e raggiungere velocità pari a Mach 10 (1.702–3.403 m / s; 6.126–12.251 km / h; 3.806–7.680 mph). Pochissimi velivoli possono muoversi a tali velocità e tendono ad essere alimentati a razzo (come l'X-15), scramjets (come l'X-43 o HyperX) o veicoli spaziali che stanno per uscire dall'atmosfera terrestre.
Un altro esempio sono gli oggetti che entrano nell'atmosfera terrestre. Questi possono assumere la forma di veicoli spaziali che effettuano il rientro o meteoriti che sono passati e si sono rotti nell'atmosfera terrestre. Ad esempio, la meteora che è entrata nei cieli sopra la cittadina di Chelyabinsk, in Russia, nel febbraio del 2013 viaggiava a una velocità di circa 19,16 ± 0,15 km / s (68.436 - 69.516 km / h; 42.524 - 43.195 mph) .
In altre parole, il meteorite stava viaggiando tra Mach 55 e 56 quando ha colpito la nostra atmosfera! Data la sua incredibile velocità, quando la meteora raggiunse il cielo sopra Chelyabinsk, creò un boom sonico così potente da causare ingenti danni a migliaia di edifici in sei città della regione. Questo danno, che includeva molte finestre esplosive, provocò il ferimento di 1.500 persone.
Quindi quanto è veloce Mach One? La risposta breve è che dipende da dove ti trovi. Ma in generale, è una velocità che supera circa 1200 km / ho 750 mph. Se sei in grado di andare così veloce, romperai la barriera del suono e le persone per miglia intorno ne sentiranno parlare!
Abbiamo scritto molti articoli interessanti sul suono qui Space Magazine. Ecco cos'è il suono? Qual è il getto più veloce del mondo? Che cos'è la resistenza all'aria? E come suona la NASA?
Per ulteriori informazioni, consulta l'articolo della NASA sul numero di Mach, ed ecco un link a una lezione sul numero di Mach.
Abbiamo registrato un episodio di Cast di astronomia tutto sulla navetta spaziale. Ascolta qui, episodio 127: Lo Space Shuttle americano.
fonti:
- NASA - Numero Mach
- Wikipedia - Numero Mach
- Aerospaceweb - Velocità del suono, numero di Mach e barriera del suono
