1马赫相当于每小时多少公里?为什么飞行速度常用马赫为单位?

在描述飞行速度的时候,人们经常会使用马赫(Mach number)为单位,这个马赫是什么意思呢?简单来讲,马赫其实就是速度与音速的比值。

1马赫相当于每小时多少公里?为什么飞行速度常用马赫为单位? 

由于音速不是固定值,不同的条件下(如介质、温度、压强等等)的音速具有不同的数值,因此如果要问1马赫速度到底有多快,我们并不能直接说1马赫相当于每小时多少公里,而应该在此之前加上确定的条件。

例如在地球大气层中,当气压为一个标准大气压、温度为15摄氏度的时候,空气中的音速约为每秒钟340米,在这种条件的空气中的飞行速度,1马赫就相当于每小时大约1224公里。

可以看到,用马赫来描述飞行速度并不直观,所以问题来了,既然如此,那为什么飞行速度常用马赫为单位呢?直接用每小时多少公里不是更方便吗?下面我们就来讲一下。

当一个物体在空气中飞行的时候,位于它前方的空气就会受到挤压,如果这个物体速度相对较慢,那么位于它前方的那团空气就会经历“压缩”、“复原”然后再“弹开”这样一个过程。

1马赫相当于每小时多少公里?为什么飞行速度常用马赫为单位? 

由于上述过程需要一定的时间,因此当一个物体在空气中的飞行速度达到一个特定值的时候,位于它前方的那团空气在被“压缩”之后就刚好无法“复原”、也无法“弹开”,于是这团被“压缩”的空气就会一直停留在物体前方,而随着物体的持续飞行,更前方的空气也会经历同样的过程,进而造成越来越多的“压缩空气”堆积在物体前方。

那么问题来了,这个“特定值”到底是多少呢?答案就是音速。

从本质上讲,声音其实就是由物体振动产生的一种波,在空气中的声波其实是一种“纵波”。

1马赫相当于每小时多少公里?为什么飞行速度常用马赫为单位? 

上图显示了声波在空气中的传播方式,可以看到,声波其实就是通过空气分子的“压缩”和“复原”来传播的,换句话来讲就是,空气的“压缩”和“复原”的速度,其实就是声音在空气中的传播速度,也就是音速。

也就是说,当一个物体以音速在空气中飞行时,其前方就会迅速堆积起大量的“压缩空气”,在这种情况下,物体遇到的空气阻力就会骤然升高,这种现象其实就是我们常听到的“音障”。

另一方面来讲,当飞行器在空气中的飞行速度超过音速时,尽管其前方的空气也会被“压缩”,然而在这种情况下,这些“压缩空气”的速度比飞行器的飞行速度慢,因此它们就无法在物体前方大量堆积,也就不会对物体形成强大的阻力。

1马赫相当于每小时多少公里?为什么飞行速度常用马赫为单位? 

所以对于人类的飞行器而言,想要进行超音速飞行,就必须要突破“音障”,而“音障”的出现就意味着飞行器的操纵性能和稳定性会突然变坏,因此飞行员就有必要及时地了解当前速度与音速的即时关系,这样就可以提前做好准备,进而大幅提高飞行的安全性。

由于不同的条件下的音速具有不同的数值,飞行员只知道“每小时多少公里”,是无法直观地掌握飞行器的当前速度与音速的即时关系的,所以那些速度较快的飞行器,通常都会配有一个专门显示马赫数的仪表,简单来讲,这种仪表能够根据当前区域的各种条件(如空气密度、压强、温度等等),计算出当前区域的音速,然后再将其当前的飞行速度进行对比,进而计算出马赫数。

1马赫相当于每小时多少公里?为什么飞行速度常用马赫为单位? 

需要注意的是,“音障”只是“飞行速度常用马赫为单位”的原因之一,实际上,马赫数的使用还有一个重要的意义,那就是利用它能够准确地描述飞行器的空气动力学特性。

由于地球大气的空气密度、温度以及大气压会因为高度的不同而出现明显的变化,因此当飞行器在空气中高速飞行时,其当前状态的受力情况会随着所在区域的变化而出现较大的差异,并不能简单地根据“每小时多少公里”来进行计算。

1马赫相当于每小时多少公里?为什么飞行速度常用马赫为单位? 

严格意义来讲,当飞行器在空气中飞行时,其马赫数就是它在空气中的飞行速度与当前区域空气中的音速的比值。

因为音速与空气密度、温度以及大气压等指标存在着确定的对应关系,所以飞行器的马赫数就可以当作衡量空气压缩程度的理想指标,通过马赫数就能够准确地描述飞行器在当前情况下的空气动力学特性。

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