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馬赫數是全國科學技術名詞審定委員會審定、公布的科技術語。
隨着社會制度的不斷發展與進步,中國的漢字也在不斷演化着,從最初的甲骨文[1]漸漸發展到了小篆[2],後來文化進一步發展後,才出現了」漢字」這種說法。
名詞解釋
馬赫數1即一倍音速(音波可以在固體、液體或是氣體介質中傳播,介質密度愈大,則音速愈快,所以馬赫的大小不是固定的):馬赫數小於1者為亞音速,馬赫數大於5左右為超高音速;馬赫數是飛行的速度和當時飛行的音速之比值,大於1表示比音速快,同理,小於1是比音速慢。
音速
音速是介質中微弱壓強擾動的傳播速度,其大小因媒質的性質和狀態而異。空氣中的音速在1個標準大氣壓和15℃的條件下約為340m/秒。
恩斯特·馬赫
馬赫的命名是為了紀念奧地利學者恩斯特·馬赫(Ernst Mach, 1838-1916) 。
馬赫(Ernst ·Mach,1838-02-18—1916-02-19)奧地利-捷克物理學家 、心理學家、哲學家,馬赫主義的創始人。1838年2月18日出生在生於摩拉維亞(現屬捷克),卒於德國慕尼黑附近的哈爾。
馬赫在一生中主要致力於實驗物理學的研究,發表過100多篇研究論文和報告。馬赫用紋影技術研究飛行拋射體的工作最為人所熟知,他的最重要成就是在研究物體在氣體中的高速運動時,發現了激波,並拍攝下激波的清晰照片。他在1887年起的幾篇論文中指出:在空氣中運動的物體發出以聲速c傳播的球面擾動波,當物體的速度v大於c時,擾動波的波前形成以物體為頂點的錐形包絡面(見馬赫錐),錐面母線與物體運動方向所形成的角度α與v、c的關係是sinα=c/v。1907年,L.普朗特首次稱角α為馬赫角。1929年,J.阿克萊特鑑於比值v/c在空氣動力學研究中日益顯示出重要性,建議用馬赫數表示這一比值。馬赫數至今已成為表徵流體運動狀態的重要參數。第二次世界大戰後,超聲速飛行和原子爆炸出現,他的研究成果就更受到高度重視。馬赫效應、馬赫波、馬赫角等這些以馬赫命名的術語,在空氣動力學中廣泛使用,可見馬赫在力學上的歷史性貢獻。
馬赫數
馬赫數在空氣動力學中得到廣泛應用,一般用于飛機、火箭等航空航天飛行器 。
馬赫數是速度與音速的比值,音速(即聲音的傳播速度)在不同高度、溫度與大氣密度等狀態下具有不同數值,只是一個相對值,每「一馬」的具體速度並不固定。
如果要把馬赫數作為速度單位來使用,則必須同時給出高度和大氣條件(一般缺省為國際標準大氣條件),如Ma1.6表示飛行速度為當地聲速1.6倍 。
相對而言,在高空比在低空更容易達到較高的馬赫數。例如,平流層空氣稀薄,且只有水平方向氣流,沒有天氣變化,空氣阻力小,能見度高。在0℃的海平面上,音速約為331.45m/s≈1193km/h;10000m高空的音速約為1062km/h。因此,無法將Ma值換算為固定的km/h或mplh(英里/小時,俗稱」邁」)等單位,馬赫數不能作為速度單位使用飛行器的「飛行馬數」指飛行器相對於靜止大氣的速度(空速)與當地聲速之比,其中的靜止大氣具有一定的高度、溫度與大氣密度。例如,美國SR-71「黑鳥」戰略偵察機最大速度Ma3.2~Ma3.5,為進氣引最高速記錄,D21高空高速無人機最大飛行速度Ma3.3~Ma3.5,均未達到高超音速。高超音速一般是指流動或飛行的速度達到或超過5倍聲速,即Ma≥5,目前,國際上實現高超音速飛行的飛行器很少,洲際彈道導彈是其中之一,其彈頭的再入速度遠大於聲速。值得一提的是,美國無人機X-43A突破Ma7,無人太空飛機X37B在太空中達Ma25 。
依照馬赫數的不同,流體分為幾種流況:
不可壓縮流
亞音速不可壓縮流:M<0.3
可壓縮流
亞音速可壓縮流:0.3≤M≤0.8
跨音速:0.8≤M≤1.2
超音速:1.2≤M≤5
超高音速:M≥5
應用場景
馬赫一般用于飛機、火箭等航空航天飛行器。由於聲音在空氣中的傳播速度隨着不同的條件而不同,因此馬赫也只是一個相對的單位,每「一馬赫」的具體速度並不固定。在低溫下聲音的傳播速度低些,一馬赫對應的具體速度也就低一些。因此相對來說,在高空比在低空更容易達到較高的馬赫數(攝氏零度之海平面音速約為 1193 km/hr;一萬公尺高空的音速約為 1062 km/hr)。
當馬赫數Ma<0.3時,流體所受的壓力不足以壓縮流體,僅會造成流體的流動。在此狀況下,流體密度不會隨壓力而改變,此種流場稱為亞音速流(Subsonic flow),流場可視為不可壓縮流場。一般的水流及大氣中空氣的流動,譬如湍急的河流、颱風風場和汽車的運動等,皆屬於不可壓縮流場。但流體在高速運動(流速接近音速或大於音速)時,流體密度會隨壓力而改變,此時氣體之流動稱為可壓縮流場(Compressible flow)。當馬赫數Ma>1.0,稱為超音速流(Supersonic flow),此類流況在航空動力學中才會遇到。現在中國已經成功研製出並成功試飛超高音速飛機,最高可達6倍音速。
任何物體在超高音速飛行時其頭部的激波後方都會產生超高溫氣流, 因此選擇抗熱材料是十分必要的。
馬赫的大約速度換算一般認為相當於340.3 m/s,又大約等同於1225 km/h,761.2 mph,或者1116 ft/s。即視為等於聲音在15攝氏度(59華氏度,288.15開氏度)的空氣中傳播的速度。
參考文獻
- ↑ 漢字小時候|一個文字,一段歷史,搜狐,2020-11-24
- ↑ 書法丨原來小篆是中國第一個也是唯一一個由國家規定的標準漢字形態!,搜狐,2017-06-05