Сверхзвуковая скорость
Сверхзвукова́я ско́рость — скорость частиц вещества выше скорости звука или распространения волны сжатия (ударной волны), для данного вещества, или скорость тела движущегося в веществе с более высокой скоростью, чем скорость звука для данной среды.
Теория
В аэродинамике часто скорость характеризуют числом Маха, которое определяется следующим образом: [math]\displaystyle{ M=\frac{u}{c_s} }[/math], где u — скорость движения потока или тела, [math]\displaystyle{ c_s }[/math] — скорость звука в среде. Звуковая скорость определяется как [math]\displaystyle{ c_s=\sqrt{\gamma \frac{p}{\rho}} }[/math], где [math]\displaystyle{ \gamma }[/math] — показатель адиабаты среды (для идеального n-атомного газа, молекула которого обладает [math]\displaystyle{ i }[/math] степенями свободы, он равен [math]\displaystyle{ \frac{i+2}{i} }[/math]). Здесь [math]\displaystyle{ i = n_p + n_r + 2n_c }[/math] — полное число степеней свободы молекулы. При этом количество поступательных степеней свободы [math]\displaystyle{ n_p = 3 }[/math]. Для линейной молекулы количество вращательных степеней свободы [math]\displaystyle{ n_r = 2 }[/math], количество колебательных степеней свободы (если есть) [math]\displaystyle{ n_c = 3n - 5 }[/math]. Для всех других молекул [math]\displaystyle{ n_r = 3 }[/math], [math]\displaystyle{ n_c = 3n - 6 }[/math].
При движении в среде со сверхзвуковой скоростью тело обязательно создаёт за собой звуковую волну. При равномерном прямолинейном движении фронт звуковой волны имеет конусообразную форму, с вершиной в движущемся теле. Излучение звуковой волны обуславливает дополнительную потерю энергии движущимся телом (помимо потери энергии вследствие трения и прочих сил).
Аналогичные эффекты испускания волн движущимися телами характерны для всех физических явлений волновой природы, например: черенковское излучение, волна, создаваемая судами на поверхности воды.
Классификация скоростей в атмосфере
При обычных условиях в атмосфере скорость звука составляет примерно 331 м/сек. Более высокие скорости иногда выражаются в числах Маха и соответствуют сверхзвуковым скоростям, при этом гиперзвуковая скорость является частью этого диапазона. НАСА определяет «быстрый» гиперзвук в диапазоне скоростей 10-25 М, где верхний предел соответствует первой космической скорости. Скорости выше считаются не гиперзвуковыми скоростями, а «скоростями невозврата» космических аппаратов на Землю.
- Сравнение режимов
| Режим | Числа Маха | км/ч | м/с | Общие характеристики аппарата |
|---|---|---|---|---|
| Дозвук | <1,0 | <1230 | <340 | Единственный диапазон скоростей для самолётов с воздушным винтом, прямые или скошенные крылья. |
| Трансзвук[англ.] | 0,8—1,2 | 980—1470 | 270—400 | Воздухозаборники и слегка стреловидные крылья, сжимаемость воздуха становится заметной. |
| Сверхзвук | 1,0—5,0 | 1230—6150 | 340—1710 | Более острые края плоскостей, хвостовое оперение цельноповоротное. |
| Гиперзвук | 5,0—10,0 | 6150—12300 | 1710—3415 | Охлаждаемый никелево-титановый корпус, небольшие крылья. Пример: «Кинжал». |
| Быстрый гиперзвук[англ.] | 10,0—25,0 | 12300—30740 | 3415—8465 | Кремниевые плитки для теплозащиты, несущий корпус аппарата вместо крыльев. |
| «Возвращение в плотные слои атмосферы» | >25,0 | >30740 | >8465 | Аблятивный тепловой экран, нет крыльев, форма капсул. |
Сверхзвуковые объекты
Начальная скорость пули большинства образцов современного огнестрельного оружия больше 1 М.
Некоторые самолёты, среди которых большинство современных истребителей разгоняются до сверхзвуковых скоростей. Также было разработано несколько пассажирских сверхзвуковых самолётов — Ту-144, Конкорд. Ведутся работы над сверхзвуковым реактивным самолётом с тремя двигателями Lockheed Martin N+2[1] и Aerion AS2[англ.].
Автомобили, как правило, развивают лишь дозвуковые скорости, однако единичные модели способны превысить скорость звука.
Ракетные сани способны развить сверхзвуковую скорость.
Космические аппараты и их носители, а также многие космические объекты движутся с первой космической и большими скоростями, чьи значения часто превышают скорость звука.
Молекулы кислорода при обычной комнатной температуре движутся со сверхзвуковой средней скоростью, составляющей около 480 метров в секунду[2].
См. также
Примечания
- ↑ Getting Up to Speed (англ.). Lockheed Martin (25 марта 2014). Дата обращения: 24 декабря 2014. Архивировано 24 декабря 2014 года.
- ↑ Телепортация: прыжок в невозможное / Дэвид Дарлинг. — Москва: Эксмо, 2008. — 300 с. — (Открытия, которые потрясли мир). — 3100 экз. — ISBN 978-5-699-23980-1.