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

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

  

黑鳥戰(zhàn)斗機

那馬赫是速度單位嗎？

嚴格來講馬赫并不是一個速度單位，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)的定義是為兩個速度的比值，因此它是一個無量綱數(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，等于飛行了多少公里呢？

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

馬赫數(shù)的由來

馬赫數(shù)的出現(xiàn)必須得提到一個人，他就是恩斯特·馬赫。

他所處的時代是奧地利帝國，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狀態(tài)下的運動表現(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)下移動時，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動中的狀態(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)空氣中的物體運動時所形成的以聲速c傳播的球面擾動波，而物體速度v大于c時，波形前方會形成以物體為頂點的錐形包絡(luò)面。

錐面母線與物體運動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行分析說明，因此就必須說到聲速這個概念。

  

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行傳播，縱波和橫波。

縱波局限在一個平面內(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，因為只有固體才能支持彈性變形，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，因為流體不傳遞剪切應(yīng)力。

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

最早關(guān)于這種研究的實驗是在19世紀，由著名物理學(xué)家艾薩克·牛頓計算得出，不過在后來的實驗中，人們更改了牛頓在當(dāng)年計算出的數(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，則流動速度小于聲速；大于馬赫數(shù)1的，則意味著物體宏觀運動速度比聲速快。對于飛行在空氣中的物體而言，物體向前飛行時，會給空氣帶來持續(xù)的擾動，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，那么氣體就會被壓縮，并產(chǎn)生和不可壓縮流動相異的流動表現(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行一個簡單計算。如果以15馬赫飛一小時，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就會進入高超聲速范疇，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，然后加入物體運動的速度，現(xiàn)在讓我們簡單地來計算一下。

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，因為高空中的空氣溫度降低會影響聲速，而這時c的數(shù)值為295m/s。

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

  

以15馬赫飛行的飛機

如果是高度出現(xiàn)變化，那么相應(yīng)的溫度、濕度都會出現(xiàn)變化，前面我們也說到聲速會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，這也是為什么飛機的部分指示器會以壓力差來指示飛行過程中的真實空速。

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動。

針對速度本身而言，馬赫數(shù)是溫度和真實空速的函數(shù)。

就這個速度而言，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)進入了高超聲速的范疇，作為目前最快的有人駕駛飛機之一，想要駕駛這種飛機必須有強悍的身體素質(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)機的速度范疇只在超音速，從設(shè)計開發(fā)和成本上來講，一旦超過這個范圍，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，都必須最大化減小激波帶來的阻力，同時還有高溫的摩擦和動能聚集。

如果進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，電磁信號無法到達飛行倉內(nèi)部，因此宇航員在這一期間會失聯(lián)。

在日常生活里其實也有這種高速運動的現(xiàn)象，比如抽鞭。

公園里的那些大爺在甩鞭的過程中，鞭子會因為高速運動，鞭梢的突然變向會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，才會在空氣中發(fā)出噼啪聲。

  

公園大爺在甩鞭

賽車、飛機、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。