揭秘马赫数：恩斯特·马赫的超音速传奇
揭秘马赫数：恩斯特·马赫的超音速传奇
马赫数是衡量飞行器速度的重要指标，它以奥地利学者恩斯特·马赫的名字命名。一马赫等于音速，即每秒340米或每小时1224公里。了解马赫数和音速之间的关系，不仅能帮助我们理解航空领域中的技术进步，还能让我们领略到恩斯特·马赫这位科学家的伟大贡献。
马赫数的定义与计算
马赫数（Ma）是物体速度与当地音速的比值，计算公式为 Ma = V / a，其中：
- V 是物体的运动速度
- a 是当地条件下的音速（如特定高度、温度下的声速）
马赫数主要用于航空航天领域，表示飞行器在大气层内的速度。它通常与声音传播的速度（专业术语为音速）存在一定关系，1马赫相当于1音速。
音速的变化规律
音速不是固定值，它随温度、高度、大气密度等因素变化。例如：
- 海平面（15℃）：约 340 m/s（1225 km/h）
- 10000米高空：约 299 m/s（1062 km/h）
随着飞行高度的增加，空气温度会普遍降低，这导致音速下降。如在零摄氏度的海平面上，1马赫约为331.45m/s，换算单位相当于1193km/h。在10,000m的高度，1马赫约为299m/s，相当于1062km/h。
恩斯特·马赫的生平与贡献
恩斯特·马赫（Ernst Mach）于1900年出生于维也纳，父母是化学家和作家。他从小就是神童，1918年进入慕尼黑大学，1921年获得博士学位，导师是索末非。他在相对论和量子物理领域都有重要贡献。
马赫在物理学、哲学和心理学等多个领域都有卓越的成就。他在物理学上的贡献主要体现在对声学和光学的研究，特别是在超声速流体动力学方面的研究，为马赫数的提出奠定了基础。此外，他还提出了马赫原理，对爱因斯坦的广义相对论产生了重要影响。
马赫数在航空领域的应用
马赫数是衡量飞行器速度的重要指标。根据马赫数的不同，流体主要分为两种流况：
- 当马赫数小于0.3时，为亚音速不可压缩流
- 当马赫数在0.3到0.8之间时，为亚音速可压缩流
- 当马赫数在0.8到1.2之间时，为跨音速
- 当马赫数在1.2到5之间时，为超音速
- 当马赫数大于或等于5时，为超高音速
对于F-16这类战斗机，由于其最大速度可达到约2.0马赫，换成单位是每小时2450公里，因此它又远高于1马赫，并且它的出现说明人类如今已实现了超音速。
马赫数在航空航天领域有着广泛的应用。它不仅是衡量飞行器速度的重要指标，还用于研究飞行器的气动特性，进而对其气动设计做出有益改造。当飞行器的速度接近或超过音速时，会对飞行器的设计和性能产生重要影响。工程师在设计飞行器时，需要重视马赫数对飞行器性能的积极影响，为飞机碰上“音爆”和“音障”时提供一定保护屏障。
音爆与音障现象
当飞行器的速度超过音速时，会产生两种重要现象：音爆和音障。
音爆是由于飞行器在空气中移动的速度超过了声速，导致空气无法及时“排开”，从而形成了一道激波。这道激波在地面上会反射表现为一声巨响，严重时可能损坏地面建筑物。
音障是当飞机如果以马赫的速度在大气层中飞行时，前面的空间就会快速聚集有大量的“压缩空气”，这时飞机就会猛然受到很高的空气阻力，导致飞机的可操纵性和稳定性变差，很可能失控到剧烈摇晃，甚至会出现飞机的解体。
为了克服这些挑战，工程师必须考虑冲击波、激波分离和气动加热等因素对超音速飞行器的影响，设计出可以减少空气阻力和增强控制飞行器稳定性的特殊机翼形状和结构，采用抗热防护材料，以抵抗高速飞行产生的大量热量。
未来展望
马赫数在航空航天领域的重要性日益凸显。随着科技的进步，高速飞行的愿景将逐渐变为现实。未来，我们可以期待马赫数在更广泛的领域中发挥作用，不仅提升交通运输的效率，还将推动人类探索更远的宇宙。