Im Bereich der Physik gibt es gewisse Barrieren, die die Menschen mittlerweile erkennen. Die bekannteste ist die Lichtgeschwindigkeit, die maximale Geschwindigkeit, mit der sich alle konventionelle Materie und alle Arten von Informationen im Universum fortbewegen können. Dies ist eine Barriere, die die Menschheit möglicherweise nie überwinden kann, hauptsächlich weil sie eines der grundlegendsten Gesetze der Physik verletzt – Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie .
Aber wie sieht es mit der Schallgeschwindigkeit aus? Dies ist eine weitere Barriere in der Physik, die die Menschheit jedoch (mehrmals) durchbrechen konnte. Und wenn es darum geht, diese Barriere zu durchbrechen, verwenden Wissenschaftler das sogenannte a Machzahl um die Strömungsgrenze hinter der lokalen Schallgeschwindigkeit darzustellen. Mit anderen Worten, das Überschreiten der Schallmauer wird als Mach 1 definiert. Wie schnell müssen Sie das also 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 geladener, als Sie vielleicht denken. Die Wahrheit ist, dass eine Mach-Zahl eher ein Verhältnis als eine tatsächliche direkte Messung der Geschwindigkeit ist. Und dieses Verhältnis ist darauf zurückzuführen, dass die Schallgeschwindigkeit aufgrund von Temperatur- und Luftdichteunterschieden von Ort zu Ort variiert.
Ein F-22 Raptor, der eine Geschwindigkeit erreicht, die hoch genug ist, um einen Überschallknall zu erzeugen. Bildnachweis: strangesounds.org
Mathematisch kann dies definiert werden als M =du/C,wobei M die Mach-Zahl ist,dudie lokale Strömungsgeschwindigkeit in Bezug auf die Grenzen ist (d. h. die Geschwindigkeit des Objekts, das sich durch das Medium bewegt), undCist die Schallgeschwindigkeit in diesem bestimmten Medium (d. h. lokale Atmosphäre, Wasser usw.).
Wird die Schallgeschwindigkeit gebrochen, 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 hin zu Miniatur-Booms, die von vorbeifliegenden Kugeln verursacht werden, oder dem Knallen einer Bullenpeitsche.
Schallgeschwindigkeit:
Grundsätzlich ist die Schallgeschwindigkeit die Strecke, 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 Schallgeschwindigkeit sprechen, beziehen wir uns auf die Schallgeschwindigkeit in der Erdatmosphäre. Aber auch das unterliegt Schwankungen.
Wissenschaftler verlassen sich jedoch eher auf die Schallgeschwindigkeit, 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; 767 mph) – oder 1 Kilometer in 2,91 s und 1 Meile in 4,69 s.
Klassifizierungen:
Wie bei den meisten Verhältnissen gibt es Näherungen und Kategorien, die verwendet werden, um die Geschwindigkeit des Objekts in Bezug auf die Schallmauer zu messen. Dies gibt uns die Kategorien vonUnterschall, Überschall, Überschall,undHyperschall. Dieses Kategorisierungssystem wird häufig verwendet, um Luft- oder Raumfahrzeuge zu klassifizieren, wobei die Mindestanforderung darin besteht, dass die meisten der klassifizierten Fahrzeuge die Fähigkeit haben, sich der Schallgeschwindigkeit zu nähern oder diese zu überschreiten.
Die Cessna 172, ein kommerzielles, Propellerflugzeug, das als Unterschall klassifiziert wird. Quelle: Wikipedia Commons/Adrian Pingstone
Für Flugzeuge oder andere Objekte, die mit einer Geschwindigkeit unterhalb der Schallmauer fliegen, ist die Klassifizierung vonUnterschallgilt. Diese Kategorie umfasst die meisten Pendlerjets und kleine Verkehrsflugzeuge, obwohl einige Ausnahmen festgestellt wurden (z. B. Überschallverkehrsflugzeuge wie die Concorde ).
Da diese Fahrzeuge niemals die Schallgeschwindigkeit erreichen oder überschreiten, haben sie eine Mach-Zahl, die kleiner als eins ist und daher in Dezimalform ausgedrückt wird – d. h. kleiner als Mach 0,8 (273 m/s; 980 km/h; 609 mph). Typischerweise sind diese Flugzeuge Propellerantrieb und neigen dazu, Flügel mit hohem Seitenverhältnis (schlanke) und abgerundete Merkmale zu haben.
Die Bezeichnung vontranssonischgilt für einen Flugzustand, bei dem ein Bereich von Luftströmungsgeschwindigkeiten um das Flugzeug herum und daran vorbei existiert. 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). Transsonische Flugzeuge haben fast immer gepfeilte Flügel, was die Verzögerung der Widerstandsdivergenz verursacht, und werden von Düsentriebwerken angetrieben.
Die nächste Kategorie istÜberschall-Flugzeug. Dies sind Fahrzeuge, die sich über die Kompression der Luft 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 den Flug mit Überschallgeschwindigkeit 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 Flossen genannt) oder Canards (Vorderflügel), die sich anpassen können. Zu den Fahrzeugen, die normalerweise diese Bezeichnung tragen, gehören moderne Kampfjets, Spionageflugzeuge (wie die SR-71 Amsel ) und die oben genannte Concorde.
Die letzte Kategorie ist Hyperschall, die 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 neigen dazu, raketengetrieben zu sein (wie die X-15 ), Scramjets (wie die X-43 , oder HyperX) oder Raumschiffe, die dabei sind, die Erdatmosphäre zu verlassen.
Ein weiteres Beispiel sind Objekte, die in die Erdatmosphäre eintreten. Diese können die Form von Raumfahrzeugen haben, die einen Wiedereintritt durchführen, oder Meteoriten, die die Erdatmosphäre durchdrungen und in ihr zerbrochen sind. Zum Beispiel der Meteor, der über der kleinen Stadt in den Himmel eindrang Tscheljabinsk , Russland, war im Februar 2013 mit einer Geschwindigkeit von etwa 19,16 ± 0,15 km/s (68.436 – 69.516 km/h; 42.524 – 43.195 mph) unterwegs.
Mit anderen Worten, der Meteorit war zwischen Mach 55 und 56 unterwegs, als er unsere Atmosphäre traf! Angesichts seiner enormen Geschwindigkeit erzeugte der Meteor, als er den Himmel über Tscheljabinsk erreichte, einen so starken Überschallknall, dass er Tausende von Gebäuden in sechs Städten in der gesamten Region erheblich beschädigte. Bei diesem Schaden, zu dem auch viele explodierende Fensterscheiben gehörten, wurden 1.500 Menschen verletzt.
Wie schnell ist Mach One? Die kurze Antwort ist, dass es davon abhängt, wo Sie sich befinden. Aber im Allgemeinen ist es eine Geschwindigkeit, die 1200 km/h oder 750 mph überschreitet. Wenn Sie in der Lage sind, so schnell zu fahren, durchbrechen Sie die Schallmauer und die Leute im Umkreis werden davon hören!
Wir haben viele interessante Artikel zum Thema Sound hier Universe Today geschrieben. Hier ist Was ist Ton? , Was ist der schnellste Jet der Welt? , Was ist Luftwiderstand? , und Wie klingt die NASA?
Weitere Informationen finden Sie unter Artikel der NASA über die Machzahl , und hier ist ein Link zu eine Lektion über die Machzahl .
Wir haben eine Episode von Astronomy Cast aufgenommen, in der es um das Space Shuttle geht. Hör zu, Folge 127: Das US-Space Shuttle .
Quellen:
