Точный перевод между различными единицами измерения скорости
Число Маха (обозначается буквой M) — безразмерная величина, представляющая собой отношение скорости движущегося в газе тела к скорости звука в этом газе. Названа в честь австрийского физика и философа Эрнста Маха (1838-1916).
Где:
Скорость звука зависит от среды, температуры и давления. Для стандартных атмосферных условий (температура 15°C на уровне моря) скорость звука в воздухе принимается за 343,2 м/с (1234,8 км/ч).
Важно: Фактическая величина, используемая для числа Маха, может варьироваться в зависимости от условий. Скорость звука в воздухе уменьшается с высотой. На высоте 11 000 м (типичная высота полета пассажирских самолетов), скорость звука составляет примерно 295 м/с из-за более низкой температуры.
В аэродинамике и авиации скорости принято классифицировать по числу Маха:
| Диапазон числа Маха | Классификация | Описание |
|---|---|---|
| M < 0.8 | Дозвуковая скорость | Воздушные потоки стабильны и не образуют ударные волны |
| 0.8 ≤ M < 1.2 | Околозвуковая (трансзвуковая) скорость | Воздушные потоки частично превышают скорость звука, создавая локальные ударные волны |
| 1.2 ≤ M < 5 | Сверхзвуковая скорость | Образуются ударные волны, сильное аэродинамическое сопротивление |
| 5 ≤ M < 10 | Гиперзвуковая скорость | Характеризуется сильным нагревом, диссоциацией газа, требует специальных материалов |
| M ≥ 10 | Высокогиперзвуковая скорость | Используется в космических технологиях, требует уникальных технических решений |
Понятие числа Маха было названо в честь австрийского физика и философа Эрнста Маха, который в конце XIX века исследовал движение газов и ударные волны. Сам Мах не вводил это число, но его работы стали фундаментальными для понимания сверхзвуковых течений.
Термин "число Маха" был предложен швейцарским инженером Якобом Аккеретом в 1929 году. Широкое распространение термин получил во время Второй мировой войны, когда авиация начала приближаться к звуковому барьеру.
Исторически важной вехой стало 14 октября 1947 года, когда американский летчик-испытатель Чак Йегер на экспериментальном самолете Bell X-1 впервые в истории преодолел звуковой барьер в управляемом горизонтальном полете, достигнув скорости M = 1,06 (1126 км/ч).
С тех пор число Маха стало стандартной единицей измерения в аэродинамике и авиации для описания высоких скоростей полета. Современные пассажирские самолеты обычно летают на скоростях около M = 0,8-0,85, в то время как военные истребители могут превышать M = 2.
343,2 м/с или 1234,8 км/ч при стандартных условиях
~900 км/ч на крейсерской высоте
~2170 км/ч на крейсерской высоте
~2655 км/ч
~3500 км/ч
~29000 км/ч
Для перевода числа Маха в другие единицы измерения скорости используется стандартное значение скорости звука в воздухе при нормальных условиях — 343,2 м/с (1234,8 км/ч).
| Число Маха | м/с | км/ч | миль/ч | узлы |
|---|---|---|---|---|
| M = 0.5 | 172 | 617 | 384 | 334 |
| M = 0.8 | 275 | 988 | 614 | 534 |
| M = 1 | 343 | 1235 | 767 | 667 |
| M = 1.2 | 412 | 1482 | 920 | 800 |
| M = 1.5 | 515 | 1852 | 1151 | 1001 |
| M = 2 | 686 | 2470 | 1534 | 1334 |
| M = 3 | 1030 | 3704 | 2301 | 2001 |
| M = 5 | 1716 | 6174 | 3835 | 3335 |
Число Маха используется в различных областях, связанных с высокоскоростным движением газов и тел в газовой среде.
Звуковой барьер (M = 1) — не является физическим барьером в буквальном смысле. Это феномен резкого увеличения аэродинамического сопротивления и изменения характеристик потока при переходе от дозвуковой к сверхзвуковой скорости. Этот переход сопровождается образованием ударной волны, которая слышна как громкий хлопок ("звуковой удар").
На дозвуковых скоростях поток воздуха плавно обтекает тело, не образуя ударных волн. Аэродинамическое сопротивление растет пропорционально квадрату скорости. Для полета на этих скоростях используются обычные стреловидные и прямые крылья.
В этом диапазоне возникают локальные сверхзвуковые зоны на поверхности тела, даже если общая скорость меньше скорости звука. Аэродинамическое сопротивление резко возрастает, может возникать явление "скоростной устойчивости", затрудняющее управление. Самолеты, предназначенные для полетов в этом диапазоне, используют стреловидные крылья и специальные аэродинамические профили.
На сверхзвуковых скоростях формируются устойчивые ударные волны, распространяющиеся от летательного аппарата. Аэродинамические свойства меняются: центр давления смещается назад, эффективность обычных управляющих поверхностей снижается. Для сверхзвуковых самолетов используются тонкие крылья с острыми передними кромками, дельтовидная или двойная дельта форма.
При гиперзвуковых скоростях основной проблемой становится аэродинамический нагрев — температура на поверхности аппарата может достигать нескольких тысяч градусов. Воздух начинает диссоциировать (распадаться на атомы), образуется плазма. Требуются специальные термостойкие материалы и активные системы охлаждения. Аэродинамика в этом режиме принципиально отличается от сверхзвуковой.
Важно понимать, что величина скорости, соответствующая числу Маха, зависит от условий окружающей среды. Скорость звука в воздухе меняется с высотой:
| Высота (м) | Температура (°C) | Скорость звука (м/с) | Скорость, соответствующая M=1 (км/ч) |
|---|---|---|---|
| 0 (уровень моря) | 15 | 343.2 | 1235.5 |
| 5 000 | -17.5 | 320.5 | 1153.8 |
| 10 000 | -50 | 299.5 | 1078.2 |
| 15 000 | -56.5 | 295.1 | 1062.4 |
| 20 000 | -56.5 | 295.1 | 1062.4 |
Это означает, что самолет, летящий с одинаковой истинной скоростью (например, 1000 км/ч), будет иметь разное число Маха на разных высотах:
Поэтому пилоты и инженеры всегда учитывают высоту при работе с числом Маха.
Звуковой удар, возникающий при преодолении самолетом звукового барьера, распространяется от самолета в виде конуса и может быть слышен на большом расстоянии. По этой причине полеты на сверхзвуковых скоростях над населенными пунктами обычно запрещены.
В воде скорость звука составляет около 1500 м/с, что почти в 4.4 раза больше, чем в воздухе. Это означает, что подводная лодка, движущаяся со скоростью 100 км/ч, имеет число Маха всего около 0.019.
Современные винтовочные пули часто движутся со сверхзвуковой скоростью. Типичная скорость пули из снайперской винтовки может достигать 900 м/с, что соответствует M ≈ 2.6.
Интересно, что сам Эрнст Мах никогда не видел сверхзвуковых летательных аппаратов — он умер в 1916 году, за 31 год до первого преодоления звукового барьера.
Ниже приведена таблица перевода наиболее часто используемых значений числа Маха в другие единицы измерения скорости:
| Число Маха | м/с | км/ч | миль/ч | узлы | Примеры |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.3 | 103.0 | 370.4 | 230.1 | 200.1 | Небольшие самолеты, вертолеты |
| 0.5 | 171.6 | 617.4 | 383.5 | 333.5 | Региональные пассажирские самолеты |
| 0.85 | 291.7 | 1049.6 | 651.9 | 567.0 | Современные авиалайнеры (Boeing, Airbus) |
| 1.0 | 343.2 | 1235.5 | 767.0 | 667.0 | Звуковой барьер |
| 1.2 | 411.8 | 1482.6 | 920.4 | 800.4 | Спортивные самолеты, старые истребители |
| 2.0 | 686.4 | 2471.0 | 1534.0 | 1334.0 | Современные истребители |
| 3.0 | 1029.6 | 3706.6 | 2301.0 | 2001.0 | SR-71 Blackbird |
| 5.0 | 1716.0 | 6177.6 | 3835.0 | 3335.0 | Гиперзвуковые аппараты, ракеты |
| 25.0 | 8580.0 | 30887.5 | 19175.0 | 16675.0 | Космические аппараты при входе в атмосферу |