我們經(jīng)常聽說飛機(jī)速度達(dá)到了多少馬赫，世界上最快的飛機(jī)快至多少馬赫。

而當(dāng)下最令人熟知的NASA X-43、黑鳥戰(zhàn)斗機(jī)，包括航天飛機(jī)，它們的速度都能達(dá)到數(shù)馬赫。

  

黑鳥戰(zhàn)斗機(jī)

那馬赫是速度單位嗎？

嚴(yán)格來講馬赫并不是一個(gè)速度單位，而是在可壓縮流體中，流體在給定的馬赫數(shù)下，可壓縮性影響中的表現(xiàn)，與其他變量無關(guān)。

這種可壓縮流體可以是液體，也可以是氣體。

由于馬赫數(shù)的定義是為兩個(gè)速度的比值，因此它是一個(gè)無量綱數(shù)。

  

可壓縮流體

那馬赫數(shù)又是怎么來的？如何理解馬赫數(shù)這種無量綱數(shù)？如果以15馬赫飛一小時(shí)，等于飛行了多少公里呢？

本文接下來便會(huì)從馬赫數(shù)的發(fā)明，以及這之間的對比關(guān)系來做一個(gè)詳細(xì)的解釋，并對文中所提到的問題進(jìn)行解答。

馬赫數(shù)的由來

馬赫數(shù)的出現(xiàn)必須得提到一個(gè)人，他就是恩斯特·馬赫。

他所處的時(shí)代是奧地利帝國，是奧地利的物理學(xué)家和哲學(xué)家。

  

恩斯特·馬赫

他在物理學(xué)上做出最突出的貢獻(xiàn)便是拍攝了一系列照片，不要小看這些照片，這些照片揭示了物體在高速移動(dòng)狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。

比如火花沖擊波和彈道沖擊波的照片，照片揭示了當(dāng)子彈或者炮彈以超音速的狀態(tài)下移動(dòng)時(shí)，物體如何在其前方產(chǎn)生壓縮空氣。

  

紋影法拍出的子彈在高速運(yùn)動(dòng)中的狀態(tài)

而馬赫使用紋影攝影拍攝記錄下了這一切，此后他在1887年發(fā)表了相關(guān)論文。

論文中指出，當(dāng)空氣中的物體運(yùn)動(dòng)時(shí)所形成的以聲速c傳播的球面擾動(dòng)波，而物體速度v大于c時(shí)，波形前方會(huì)形成以物體為頂點(diǎn)的錐形包絡(luò)面。

錐面母線與物體運(yùn)動(dòng)方向所形成的角度之間的關(guān)系后來被普朗特命名為“馬赫角”。

  

馬赫角

不過馬赫數(shù)并不是由馬赫本人親自命名，而是在后來的物理研究中，瑞士航空工程專家雅各布·阿克雷特在20世紀(jì)的研究中發(fā)現(xiàn)，如果指定氣流速度v和地面聲速a的比值為一特征數(shù)，便能使粘性可壓縮流動(dòng)中相似屬性的定義被極大的簡化。

這一發(fā)現(xiàn)使得人們重視起馬赫數(shù)之間的比值關(guān)系，以及不同流體間比值系數(shù)的重要性。

那么這一比值關(guān)系是如何得到的呢？

如何理解馬赫數(shù)

考慮到馬赫主要應(yīng)用在航天飛行方面，在這里著重以氣體為流體來進(jìn)行分析說明，因此就必須說到聲速這個(gè)概念。

  

聲速

在氣體或液體中，聲音由壓縮波組成，而固體中，波是以兩種不同的類型來進(jìn)行傳播，縱波和橫波。

縱波局限在一個(gè)平面內(nèi)，這是唯一在氣體和液體中傳播的聲波。

而橫波也被稱作剪切波，只出現(xiàn)在固體中，因?yàn)橹挥泄腆w才能支持彈性變形，一般來講，橫波以一對正交極化的形式出現(xiàn)。

介于聲波在不同介質(zhì)下的傳遞，聲速是可變的，這取決于波傳播的物質(zhì)特性。

  

波傳播

而在流體中，只有介質(zhì)的可壓縮性和密度是重要因素，因?yàn)榱黧w不傳遞剪切應(yīng)力。

另外還需要知道的一點(diǎn)，聲波在其中傳播的介質(zhì)并不總是絕熱地響應(yīng)，因此聲速會(huì)隨頻率而變化。

最早關(guān)于這種研究的實(shí)驗(yàn)是在19世紀(jì)，由著名物理學(xué)家艾薩克·牛頓計(jì)算得出，不過在后來的實(shí)驗(yàn)中，人們更改了牛頓在當(dāng)年計(jì)算出的數(shù)據(jù)。

  

物理學(xué)家艾薩克·牛頓

回到我們前面所提到的聲速傳遞，目前為止關(guān)于聲速在空氣中的利用可以知道的是，影響空氣中聲速的最重要因素是溫度。

速度與絕對溫度的平方根成正比，大約為每攝氏度增加0.6m/s。

  

溫度

同時(shí)聲音的速度也因濕度而提高，0%~100%濕度之間的差異大概在1.5m/s，這種濕度效應(yīng)的大小隨溫度變化顯著增加。

就馬赫數(shù)來講，學(xué)術(shù)定義為：馬赫數(shù)小于1，則流動(dòng)速度小于聲速；大于馬赫數(shù)1的，則意味著物體宏觀運(yùn)動(dòng)速度比聲速快。對于飛行在空氣中的物體而言，物體向前飛行時(shí)，會(huì)給空氣帶來持續(xù)的擾動(dòng)，并且通過一種能量傳遞讓前方的氣體“散開”。

如果物體前行速度較快，那么氣體就會(huì)被壓縮，并產(chǎn)生和不可壓縮流動(dòng)相異的流動(dòng)表現(xiàn)。

一般條件下，馬赫數(shù)超過0.3的物體就必須考慮氣體的壓縮性。

這種變化最直接的表現(xiàn)就是空氣阻力會(huì)顯著增加，出現(xiàn)激波，也就是我們所說的“音爆”。

  

音爆現(xiàn)象

在弄清楚這些基本原理之后，我們接下來便可以去進(jìn)行一個(gè)簡單計(jì)算。如果以15馬赫飛一小時(shí)，飛行距離有多長？

15馬赫有多快？

目前學(xué)術(shù)界把飛行分為了六類：亞音速，馬赫數(shù)<0.8；跨音速，馬赫數(shù)為0.8~1.2；音速為1，超音速的馬赫數(shù)在1.2~5.0之間，而后面馬赫數(shù)超過8.8就會(huì)進(jìn)入高超聲速范疇，超過25.0則被列為再入速度（重返大氣層的速度）。

通過前文我們所講述的聲速、馬赫數(shù)之間的關(guān)系，然后加入物體運(yùn)動(dòng)的速度，現(xiàn)在讓我們簡單地來計(jì)算一下。

根據(jù)公式M=u/c，其中M代表馬赫數(shù)，u為速度，c代表的是聲速，這里我們假設(shè)物體是在萬米高空中飛行，而不是近地面，因?yàn)楦呖罩械目諝鉁囟冉档蜁?huì)影響聲速，而這時(shí)c的數(shù)值為295m/s。

經(jīng)過計(jì)算便可得知，如果以15馬赫飛行一小時(shí)，那么飛行距離就有15930公里，要是以這個(gè)速度飛行，一個(gè)小時(shí)就能繞地球一圈有余。

  

以15馬赫飛行的飛機(jī)

如果是高度出現(xiàn)變化，那么相應(yīng)的溫度、濕度都會(huì)出現(xiàn)變化，前面我們也說到聲速會(huì)受這些物理因素的變化而變化，所以不同狀態(tài)下，聲速并不同。

某種程度上來講，聲速代表的是一種溫度變化，這也是為什么飛機(jī)的部分指示器會(huì)以壓力差來指示飛行過程中的真實(shí)空速。

最后我們還需要知道的是，馬赫不是尋常意義上的速度，并不能直接用來代表速度運(yùn)動(dòng)。

針對速度本身而言，馬赫數(shù)是溫度和真實(shí)空速的函數(shù)。

就這個(gè)速度而言，它已經(jīng)超過了所有在地球上飛行的飛行器，即便是由NASA聯(lián)合美國軍方制造的X-43，它的速度也只有9.6馬赫。

  

X-43

這已經(jīng)進(jìn)入了高超聲速的范疇，作為目前最快的有人駕駛飛機(jī)之一，想要駕駛這種飛機(jī)必須有強(qiáng)悍的身體素質(zhì)以及高超的飛行技術(shù)才能駕駛飛行。

一般來講，大部分戰(zhàn)機(jī)的速度范疇只在超音速，從設(shè)計(jì)開發(fā)和成本上來講，一旦超過這個(gè)范圍，就必須要考慮非常多的因素了。

無論是材質(zhì)，還是整體設(shè)計(jì)，都必須最大化減小激波帶來的阻力，同時(shí)還有高溫的摩擦和動(dòng)能聚集。

如果進(jìn)加入速度基本就和隕石墜落或者航天器著陸的速度差不多，由于空氣被劇烈壓縮，能量聚集會(huì)使空氣產(chǎn)生電離。

  

隕石墜落

由于電離原因，電磁信號無法到達(dá)飛行倉內(nèi)部，因此宇航員在這一期間會(huì)失聯(lián)。

在日常生活里其實(shí)也有這種高速運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，比如抽鞭。

公園里的那些大爺在甩鞭的過程中，鞭子會(huì)因?yàn)楦咚龠\(yùn)動(dòng)，鞭梢的突然變向會(huì)在鞭子的前端或者局部形成超聲速的激波。

也正是這種能量產(chǎn)生，才會(huì)在空氣中發(fā)出噼啪聲。

  

公園大爺在甩鞭

賽車、飛機(jī)、火箭，似乎人類對于速度的追求永無止境，快，到底能有多快？

想必即便是15馬赫的速度也不能滿足這種渴望。