Звуковой барьер скорость км ч: Звуковой барьер — Википедия – что такое звуковой барьер, что за хлопок происходит во время его преодоления самолетом — Stoppanic

Содержание

что такое звуковой барьер, что за хлопок происходит во время его преодоления самолетом

Первый пилот, сумевший преодолеть звуковой барьер — Чарльз Йегер, совершивший полет на самолете Bell X-1 осенью 1947 года. В Советском Союзе данный подвиг повторили летчики Федоров и Соколовский, пилотировавшие истребитель ЛА-176 на высоте более 15 тысяч метров. Сверхзвуковая скорость судна составляла 1104 км/час, на которой он мог пройти порядком тысячи километров без дозаправок. Число маха — это отношение скорости звука к скорости, с которой передвигается летательный аппарат. Названо в честь известного австрийского физика Эрнста Маиевского, изучавшего причины возникновения ударных волн и аэродинамические процессы при сверхзвуковом передвижении тел.

Что такое звуковой барьер?

Звуковым барьером в аэродинамике называют целый ряд явлений, которыми сопровождается передвижение летательного средства на скорости звука (340 м/с) либо выше. Звуковой удар возникает из-за скачков давления и сопровождается «хлопком», воспринимаемым наблюдателем как звук взрыва. В результате волнового кризиса изменяется характер обтекания самолета, появляются вибрации, снижается подъемная сила и растет лобовое сопротивление.

Самолёт FA-18 Hornet, движущийся с околозвуковой скоростью

Потребность в преодолении звукового барьера возникла в годы Второй мировой войны, когда многие летчики замечали, что при увеличении скорости истребителя ухудшается его управляемость и ряд других важных характеристик, таких как корректировка элеронов и воздушных рулей. Пилоты самолетов поршневого типа, предпринимавшие попытки развить предельные скорости, неизбежно сталкивались с волновым кризисом, выбраться из которого без пикирования не представлялось возможным.

Значимую роль в задаче объяснения и преодоления звукового барьера сыграли научные работы, посвященные исследованиям сверхзвукового движения газа.

Величина сверхзвуковой скорости полета

Пока самолет передвигается с небольшой скоростью (до 420 км/час) на высоте до 3 тысяч метров, вычислить точные параметры полета довольно просто. Однако в случае преодоления звукового барьера самолетом падает не только температура за бортом, но и плотность воздушной среды. Когда приборы демонстрируют эквивалентные показания скорости на высоте 2 тысячи метров и 10 тысяч метров, в условиях разреженного воздуха реальная скорость будет больше.

Величина сверхзвуковой скорости полета

На скорости звука воздушное пространство перестает быть однородным и сильно затрудняет передвижение низкоскоростных летательных аппаратов. Создается среда, в которой возникают скачки уплотнения и изменение характера обтекания самолета, что создает предпосылки для волнового кризиса. Скачок уплотнения увеличивает энтропию газа, которая уменьшается в процессе прохождения звукового барьера.

Особенности сверхзвукового полета

Переход на сверхзвуковую скорость сопровождается ударной волной, возникающей из-за разницы давления. В случае, если она будет длиться больше секунды, фюзеляж судна может не выдержать подобных нагрузок, что приведет к его крушению. Если посмотреть на преодоление самолетом звукового барьера на видео, то можно заметить, что ударной волной разрушаются практически все стекла жилых домов, расположенных на поверхности земли.

После того как американский летчик Чарльз Йегер сумел впервые преодолеть звуковой барьер, он был поражен воцарившейся в кабине самолета «божественной тишиной». В момент, когда стрелке махметра удается перевалить за отметку 1.0, звуковое давление внутри судна заметно уменьшается. Однако повышается риск деформации фюзеляжа и других частей летательного аппарата.

Чарльз Йегер

На показатели энергетики (интенсивности) скачка уплотнения оказывают влияние условия окружающей среды, конструктивные особенности самолета и скорость его передвижения. Пилотам гиперзвуковых пассажирских лайнеров «Concorde» и «ТУ-144» было дозволено преодолевать звуковой барьер исключительно над поверхностью океана в воздушном пространстве, превышающем на несколько тысяч метров высоту передвижения стандартных летательных аппаратов гражданской авиации.

Вы когда-нибудь слышали хлопок от самолета, переходящего сверхзвуковой барьер?

ДаНет

Что происходит с самолетом во время преодоления звукового барьера?

Что происходит с летательным аппаратом при достижении скорости звука? Начинается образование ударных волн, которые появляются в хвостовой части самолета, в задней и фронтальной кромке, а также на острие фюзеляжа. Скачок уплотнения обладает очень малой толщиной, а фронт ударной волны отличается кардинальными изменениями, происходящими со свойствами потока. Его скоростные показатели снижаются по отношению к телу, и скорость приобретает свойства дозвуковой. Кинетическая энергия частично преображается в газовую (внутреннюю).

Хлопок сверхзвукового самолета представляет собой «звуковой удар», который возникает из-за скачков давления воздуха. Хлопок появляется в результате прохождения основной волны и воспринимается слушателем каждый раз, когда самолет пролетает над его головой.

Масштаб подобных изменений прямо пропорционален скорости гиперзвукового потока. Число маха в данном случае превышает 5, а температурные показатели серьезно повышаются, что выступает причиной ряда проблем для летательных аппаратов, передвигающихся на сверхзвуковых скоростях. Повреждение термозащитных оболочек спровоцировало крушение многоразового космического транспортного корабля NASA под названием «Columbia» в 2003 году. Шаттл входил в земную атмосферу для совершения посадки и был поврежден ударной волной высокой силы.

Российский пассажирский сверхзвуковой самолет

Первый пассажирский самолет, который преодолел звуковой барьер, — ТУ-144, созданный инженерами из конструкторского бюро Туполева. Для преодоления звукового барьера лайнер был выполнен в форме бесхвостового низкоплана, оснащенного дополнительными силовыми установками. ТУ-144 был лишен привычных для летательных средств предыдущего поколения закрылков и предкрылков, а переход на гиперзвуковой режим осуществлялся благодаря сложной процедуре перераспределения топлива в задние центровочные баки.

ТУ-144

Сверхзвуковой высотный бомбардировщик Валькирия

Без затруднений преодолевает звуковой барьер высотный бомбардировщик «Валькирия» XB-70, развивающий скорость свыше трех махов (3673 км/час) и поднимающийся на высоту свыше 20 тысяч метров. Для передвижения на гиперзвуковой скорости конструкторы были вынуждены снизить взлетную массу, а также перевести самолет на пентаборан (бороводородную топливную смесь), обладающую повышенной энергией сгорания. Бомбардировщик представляет собой «бесхвостку», выполненную из высокопрочной инструментальной стали.

Валькирия» XB-70

Что такое звуковой барьер. Преодоление звукового барьера

Что мы представляем себе, когда слышим выражение «звуковой барьер»? Некий предел и преграду, преодоление которой может серьёзно повлиять на слух и самочувствие. Обычно звуковой барьер соотносят с покорением воздушного пространства и профессией лётчика.

Преодоление этой преграды способно спровоцировать развитие застарелых болезней, болевых синдромов и аллергических реакций. Правильны ли эти представления или они представляют собой установившиеся стереотипы? Имеют ли они под собой фактическую основу? Что такое звуковой барьер? Как и почему он возникает? Всё это и некоторые дополнительные нюансы, а также исторические факты, связанные с этим понятием, мы попробуем выяснить в данной статье.

Эта таинственная наука – аэродинамика

В науке аэродинамике, призванной разъяснить явления, сопровождающие движение
летательного аппарата, существует понятие «звуковой барьер». Это ряд явлений, возникающих при движении сверхзвуковых самолётов или ракет, которые передвигаются на скоростях, приближенных к скорости звука или больших.

Что такое ударная волна?

В процессе обтекания аппарата сверхзвуковым потоком в аэродинамической трубе возникает ударная волна. Её следы могут быть заметны даже невооружённым глазом. На земле они выражены жёлтой линией. Вне конуса ударной волны, перед жёлтой линией, на земле самолёт даже не слышно. При скорости, превышающей звуковую, тела подвергаются обтеканию звуковым потоком, что влечёт за собой ударную волну. Она может быть не одна, что зависит от формы тела.

Преобразование ударной волны

Фронт ударной волны, который иногда называют скачком уплотнения, имеет довольно малую толщину, позволяющую тем не менее отследить скачкообразные изменения свойств потока, снижение его скорости относительно тела и соответствующее возрастание давления и температуры газа в потоке. При этом кинетическая энергия частично преобразуется во внутреннюю энергию газа. Количество этих изменений напрямую зависит от скорости сверхзвукового потока. По мере того как ударная волна удаляется от аппарата, уменьшаются перепады давления, и ударная волна преобразуется в звуковую. Она может достичь стороннего наблюдателя, который услышит характерный звук, напоминающий взрыв. Существует мнение, что это свидетельствует о достижении аппаратом скорости звука, когда звуковой барьер самолёт оставляет позади.

Что происходит на самом деле?

Так называемый момент преодоления звукового барьера на практике представляет собой прохождение ударной волны с нарастающим гулом двигателей самолёта. Теперь аппарат опережает сопровождающий его звук, поэтому гул двигателя будет слышен после него. Приближение скорости летательных аппаратов к скорости звука стало возможным ещё в ходе Второй мировой войны, но при этом пилоты отмечали тревожные сигналы в работе самолётов.

После окончания войны немало авиаконструкторов и лётчиков стремились достичь скорости звука и преодолеть звуковой барьер, но многие из этих попыток заканчивались трагически. Пессимистически настроенные учёные утверждали, что этот предел превзойти невозможно. Отнюдь не экспериментальным, но научным путём получилось объяснить природу понятия «звуковой барьер» и найти способы его преодоления.

Выведенные рекомендации для безопасных полётов

Безопасные полёты на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях возможны при избегании волнового кризиса, возникновение которого зависит от аэродинамических параметров самолёта и высоты производимого полёта. Переходы с одного уровня скорости на другой должны выполняться максимально оперативно с применением форсажа, что поможет избежать долгого полёта в зоне волнового кризиса. Волновой кризис как понятие пришёл из водного транспорта. Возникал он в момент движения судов со скоростью, близкой к скорости волн на поверхности воды. Попадание в волновой кризис влечёт за собой затруднение роста скорости, и если максимально просто преодолеть волновой кризис, то можно выйти на режим глиссирования или скольжения по водной глади.

История в управлении самолётами

Первый человек, который достиг сверхзвуковой скорости полёта на экспериментальном самолёте, — это американский лётчик Чак Йегер. Его достижение отмечено в истории 14 октября 1947 года. На территории СССР звуковой барьер был преодолён 26 декабря 1948 года Соколовским и Фёдоровым, которые управляли опытным истребителем.

Из гражданских самолётов первым преодолел звуковой барьер пассажирский лайнер Douglas DC-8, который 21 августа 1961 года достиг скорости 1.012 М, или 1262 км/ч. Полёт имел целью сбор данных для проектирования крыла. Среди летательных аппаратов мировой рекорд поставила гиперзвуковая аэробаллистическая ракета «воздух-земля», которая находится на вооружении российской армии. На высоте в 31,2 километра ракета развила скорость 6389 км/час.

Через 50 лет после преодоления звукового барьера в воздухе англичанин Энди Грин совершил аналогичное достижение на автомобиле. В свободном падении пробовал побить рекорд американец Джо Киттингер, который покорил высоту в 31,5 километра. В наши дни, 14 октября 2012 года, Феликс Баумгартнер поставил мировой рекорд, без помощи транспорта, в свободном падении с высоты 39 километров, преодолев звуковой барьер. Скорость его при этом достигла 1342,8 километра в час.

Самое необычное преодоление звукового барьера

Странно подумать, но первым в мире изобретением, преодолевшим этот предел, стал обычный хлыст, который придумали древние китайцы почти 7 тысяч лет назад. Практически до изобретения моментальной фотографии в 1927 году никто и не подозревал, что щелчок хлыста – это миниатюрный звуковой удар. Резкий взмах формирует петлю, а скорость резко возрастает, что и подтверждает щелчок. Звуковой барьер преодолевается на скорости порядка 1200 км/час.

Загадка самого шумного города

Не зря жители маленьких городов испытывают шок, увидев столицу в первый раз. Обилие транспорта, сотни ресторанов и развлекательных центров сбивают с толку и выбивают из привычной колеи. Начало весны в столице обычно датируется апрелем, а не мятежным вьюжным мартом. В апреле здесь чистое небо, бегут ручьи и распускаются почки. Люди, уставшие от долгой зимы, широко распахивают окна навстречу солнцу, и в дома врывается уличный шум. На улице оглушительно щебечут птицы, поют артисты, декламируют стихи весёлые студенты, не говоря уже о шуме в пробках и метро. Сотрудники отделов гигиены отмечают, что долго находиться в шумном городе вредно для здоровья. Звуковой фон столицы состоит из транспортных,
авиационных, промышленных и бытовых шумов. Наиболее вредным является как раз автомобильный шум, так как самолёты летают достаточно высоко, а шум от предприятий растворяется в их зданиях. Постоянный же гул автомобилей на особо оживлённых магистралях превышает все допустимые нормы в два раза. Как в столице преодолевается звуковой барьер? Москва опасна обилием звуков, поэтому жители столицы устанавливают стеклопакеты, чтобы приглушить шум.

Как осуществляется штурм звукового барьера?

До 1947 года не было фактических данных о самочувствии человека в кабине самолёта, который летит быстрее звука. Как оказалось, преодоление звукового барьера требует определённых сил и отваги. В процессе полёта становится ясно, что нет никаких гарантий выжить. Даже профессиональный пилот не может точно сказать, выдержит ли конструкция самолёта атаку стихии. В считанные минуты самолёт может просто развалиться на части. Чем же это объясняется? Следует отметить, что движение с дозвуковой скоростью создаёт акустические волны, разбегающиеся как круги от упавшего камня. Сверхзвуковая скорость возбуждает ударные волны, а стоящий на земле человек слышит звук, похожий на взрыв. Без мощных вычислительных машин сложно было решить сложные дифференциальные уравнения, и приходилось опираться на продувание моделей в аэродинамических трубах. Иногда при недостаточном ускорении самолёта ударная волна достигает такой силы, что вылетают окна из домов, над которыми пролетает самолёт. Преодолеть звуковой барьер сможет далеко не каждый, ведь в этот момент трясёт всю конструкцию, значительные повреждения могут получить крепления аппарата. Поэтому для пилотов так важно крепкое здоровье и эмоциональная стабильность. Если полёт идёт мягко, а звуковой барьер преодолён максимально быстро, то ни пилот, ни возможные пассажиры не почувствуют особо неприятных ощущений. Специально для покорения звукового барьера был сооружён исследовательский летательный аппарат в январе 1946 года. Создание машины было инициировано заказом министерства обороны, но взамен оружия её напичкали научной аппаратурой, которая отслеживала режим работы механизмов и приборов. Этот самолёт походил на современную крылатую ракету со встроенным ракетным двигателем. Преодоление самолётом звукового барьера происходило при максимальной скорости 2736 км/ч.

Вербальные и материальные памятники покорению скорости звука

Достижения в преодолении звукового барьера высоко ценятся и сегодня. Так, самолёт, на котором Чак Йегер впервые его преодолел, сейчас выставлен в Национальном музее воздухоплавания и космонавтики, который находится в Вашингтоне. Но технические параметры этого человеческого изобретения мало бы стоили без достоинств самого пилота. Чак Йегер прошёл лётное училище и воевал в Европе, после чего вернулся в Англию. Несправедливое отстранение от полётов не сломило дух Йегера, и он добился приёма у главнокомандующего войсками Европы. За годы, оставшиеся до конца войны, Йегер участвовал в 64 боевых вылетах, во время которых сбил 13 самолётов. На родину Чак Йегер вернулся со званием капитана. В его характеристике указана феноменальная интуиция, невероятное хладнокровие и выдержка в критических ситуациях. Не один раз Йегер устанавливал рекорды на своём самолёте. Его дальнейшая карьера шла в подразделениях ВВС, где он осуществлял тренинг пилотов. В последний раз Чак Йегер преодолел звуковой барьер в 74 года, что пришлось на пятидесятую годовщину его истории полётов и на 1997 год.

Комплексные задачи создателей летательных аппаратов

Известные на весь мир самолеты МиГ-15 стали создавать в тот момент, когда разработчики поняли, что невозможно базироваться только на преодолении звукового барьера, а следует решать комплексные технические задачи. В результате была создана машина настолько удачная, что её модификации встали на вооружение разных стран. Несколько различных конструкторских бюро включились в своеобразную конкурентную борьбу, призом в которой был патент на самый успешный и функциональный летательный аппарат. Разрабатывались самолёты со стреловидными крыльями, что было революцией в их конструкции. Идеальный аппарат должен был быть мощным, быстрым и невероятно устойчивым к любым повреждениям извне. Стреловидные крылья у самолётов стали элементом, который помогал им втрое повышать скорость звука. Далее скорость самолётов продолжала нарастать, что объяснялось увеличением мощности двигателей, применением инновационных материалов и оптимизацией аэродинамических параметров. Преодоление звукового барьера стало возможным и реальным даже для непрофессионала, но менее опасным оно от этого не становится, поэтому любой экстремал должен здраво оценивать свои силы, прежде чем решиться на такой эксперимент.

звуковой барьер — это… Что такое звуковой барьер?

звуковой барьер

звуково́й барье́р: явление, возникающее в полёте самолёта или ракеты в момент перехода от дозвуковой к сверхзвуковой скорости полёта в атмосфере. При приближении скорости самолёта к скорости звука (1200 км/ч) в воздухе перед ним возникает тонкая область, в которой происходит резкое увеличение давления и плотности воздушной среды. Это уплотнение воздуха перед летящим самолётом называется ударной волной. На земле прохождение ударной волны воспринимается как хлопок, похожий на звук выстрела. Превысив скорость звука, самолёт проходит сквозь эту область повышенной плотности воздуха, как бы прокалывает её – преодолевает звуковой барьер. Долгое время преодоление звукового барьера представлялось серьёзной проблемой в развитии авиации. Для её решения потребовалось изменить профиль и форму крыла самолёта (оно стало более тонким и стреловидным), сделать переднюю часть фюзеляжа более заострённой и снабдить самолёты реактивными двигателями. Впервые скорость звука была превышена в 1947 г. Ч. Йигером на самолёте Белл Х-1 (США) с жидкостным ракетным двигателем, запущенном с самолёта Боинг В-29. В России звуковой барьер первым преодолел в 1948 г. лётчик О. В. Соколовский на экспериментальном самолёте Ла-176 с турбореактивным двигателем.

Звуковой барьер: резкое увеличение сопротивления аэродинамического летательного аппарата при Маха числах полёта M(∞), несколько превышающих критическое число M*. Причина состоит в том, что при числах M(∞) > M* наступает волновой кризис, сопровождающийся появлением волнового сопротивления. Коэффициент волнового сопротивления летательных аппаратов очень быстро возрастает с ростом числа M, начиная с M(∞) = M*.
Наличие З. б. затрудняет достижение скорости полёта, равной скорости звука, и последующего перехода к сверхзвуковому полёту. Для этого оказалось необходимым создать самолёты с тонкими стреловидными крыльями, что позволило значительно снизить сопротивление, и реактивными двигателями, у которых с ростом скорости тяга возрастает.
В СССР скорость, равная скорости звука, впервые была достигнута на самолёте Ла-176 в 1948.

звуковая карта
землесосный снаряд

Смотреть что такое «звуковой барьер» в других словарях:

Барьер — все активные промокоды Барьер в категории Дом и дача
Звуковой барьер — Звуковой барьер в аэродинамике название ряда явлений, сопровождающих движение летательного аппарата (например, сверхзвукового самолёта, ракеты) на скоростях, близких к скорости звука или превышающих её. Содержание 1 Ударная волна,… … Википедия
ЗВУКОВОЙ БАРЬЕР — ЗВУКОВОЙ БАРЬЕР, причина трудностей в авиации при увеличении скорости полета свыше скорости звука (СВЕРХЗВУКОВАЯ СКОРОСТЬ). Приближаясь к скорости звука, самолет испытывает неожиданное увеличение сопротивления и потерю аэродинамической ПОДЪЕМНОЙ… … Научно-технический энциклопедический словарь
звуковой барьер — garso barjeras statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. sonic barrier; sound barrier vok. Schallbarriere, f; Schallmauer, f rus. звуковой барьер, m pranc. barrière sonique, f; frontière sonique, f; mur de son, m … Fizikos terminų žodynas
звуковой барьер — garso barjeras statusas T sritis Energetika apibrėžtis Staigus aerodinaminio pasipriešinimo padidėjimas, kai orlaivio greitis tampa garso greičiu (viršijama kritinė Macho skaičiaus vertė). Aiškinamas bangų krize dėl staiga padidėjusio… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas
ЗВУКОВОЙ БАРЬЕР — резкое увеличение сопротивления аэродинамического при приближении скорости полёта ЛА к скорости звука (превышении кри тич. значения Маха числа полёта). Объясняется волновым кризисом, сопровождающимся ростом волнового сопротивления. Преодолеть 3.… … Большой энциклопедический политехнический словарь
Звуковой барьер — резкое увеличение сопротивления воздушной среды движению ЛА при. подходе к скоростям, близким к скорости распространения звука. Преодоление 3. б. стало возможным за счёт совершенствования аэродинамических форм самолётов и применения мощных… … Словарь военных терминов
звуковой барьер — звуковой барьер резкое увеличение сопротивления аэродинамического летательного аппарата при Маха числах полёта M∞, несколько превышающих критическое число M*. Причина состоит в том, что при числах M∞ > M* наступает волновой кризис,… … Энциклопедия «Авиация»
звуковой барьер — звуковой барьер резкое увеличение сопротивления аэродинамического летательного аппарата при Маха числах полёта M∞, несколько превышающих критическое число M*. Причина состоит в том, что при числах M∞ > M* наступает волновой кризис,… … Энциклопедия «Авиация»
БАРЬЕР — (франц. barriere застава). 1) ворота в крепостях. 2) в манежах и цирках загородка, бревно, шест, через которые прыгает лошадь. 3) знак, до которого доходят бойцы на поединке. 4) перила, решетка. Словарь иностранных слов, вошедших в состав… … Словарь иностранных слов русского языка
БАРЬЕР — БАРЬЕР, а, муж. 1. Преграда (род стенки, перекладина), поставленная на пути (при скачках, беге). Взять б. (преодолеть его). 2. Загородка, ограждение. Б. ложи, балкона. 3. перен. Преграждение, препятствие для чего н. Река естественный б. для… … Толковый словарь Ожегова

Скорость звука — Википедия

Скорость звука в различных средах^[1]
0 °C, 101325 Па	м/с	км/ч
Азот	334	1202,4
Аммиак	415	1494,0
Ацетилен	327	1177,2
Водород	1284	4622,4
Воздух	331	1191,6
Гелий	965	3474,0
Железо	5950	21420,0
Золото	3240	11664,0
Кислород	316	1137,6
Литий	6000	21600,0
Метан	430	1548,0
Угарный газ	338	1216,8
Неон	435	1566,0
Ртуть	1383	4978,0
Стекло	4800	17280,0
Углекислый газ	259	932,4
Хлор	206	741,6

Скорость звука — скорость распространения упругих волн в среде: как продольных (в газах, жидкостях или твёрдых телах), так и поперечных, сдвиговых (в твёрдых телах). Определяется упругостью и плотностью среды: как правило, в газах скорость звука меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях — меньше, чем в твёрдых телах. Также в газах скорость звука зависит от температуры данного вещества, в монокристаллах — от направления распространения волны. Обычно не зависит от частоты волны и её амплитуды; в тех случаях, когда скорость звука зависит от частоты, говорят о дисперсии звука.

Уже у античных авторов встречается указание на то, что звук обусловлен колебательным движением тела (Птолемей, Евклид). Аристотель отмечает, что скорость звука имеет конечную величину, и правильно представляет себе природу звука^[2]. Попытки экспериментального определения скорости звука относятся к первой половине XVII в. Ф. Бэкон в «Новом органоне» указал на возможность определения скорости звука путём сравнения промежутков времени между вспышкой света и звуком выстрела. Применив этот метод, различные исследователи (М. Мерсенн, П. Гассенди, У. Дерхам, группа учёных Парижской академии наук — Д. Кассини, Ж. Пикар, Гюйгенс, Рёмер) определили значение скорости звука (в зависимости от условий экспериментов, 350—390 м/с). Теоретически вопрос о скорости звука впервые рассмотрел И. Ньютон в своих «Началах». Ньютон фактически предполагал изотермичность распространения звука, поэтому получил заниженную оценку. Правильное теоретическое значение скорости звука было получено Лапласом^[3]^[4]^[5]^[6].

Расчёт скорости звука в жидкости и газе[править | править код]

Скорость звука в однородной жидкости (или газе) вычисляется по формуле:

c=1βρ.{\displaystyle c={\sqrt {\frac {1}{\beta \rho }}}.}

В частных производных:

c=−v2(∂p∂v)s=−v2CpCv(∂p∂v)T,{\displaystyle c={\sqrt {-v^{2}\left({\frac {\partial p}{\partial v}}\right)_{s}}}={\sqrt {-v^{2}{\frac {C_{p}}{C_{v}}}\left({\frac {\partial p}{\partial v}}\right)_{T}}},}

где β{\displaystyle \beta } — адиабатическая упругость среды; ρ{\displaystyle \rho } — плотность; Cp{\displaystyle C_{p}} — изобарная теплоёмкость; Cv{\displaystyle C_{v}} — изохорная теплоёмкость; p{\displaystyle p}, v{\displaystyle v}, T{\displaystyle T} — давление, удельный объём и температура, s{\displaystyle s} — энтропия среды.

Для идеальных газов эта формула выглядит так:

c=γkTm=γRTM=αT=γ3v{\displaystyle c={\sqrt {\frac {\gamma kT}{m}}}={\sqrt {\frac {\gamma RT}{M}}}=\alpha {\sqrt {T}}={\sqrt {\frac {\gamma }{3}}}v},

где γ{\displaystyle \gamma } — показатель адиабаты: 5/3 для одноатомных газов, 7/5 для двухатомных (и для воздуха), 4/3 для многоатомных; k{\displaystyle k} — постоянная Больцмана; R{\displaystyle R} — универсальная газовая постоянная; T{\displaystyle T} — абсолютная температура; m{\displaystyle m} — молекулярная масса; M{\displaystyle M} — молярная масса, α=γRM{\displaystyle \alpha ={\sqrt {\frac {\gamma R}{M}}}}; v{\displaystyle v} — средняя скорость теплового движения частиц газа.

По порядку величины скорость звука в газах близка к средней скорости теплового движения молекул (см. Распределение Максвелла) и в приближении постоянства показателя адиабаты пропорциональна квадратному корню из абсолютной температуры.

Данные выражения являются приближёнными, поскольку основываются на уравнениях, описывающих поведение идеального газа. При больших давлениях и температурах необходимо вносить соответствующие поправки.

Для расчёта сжимаемости многокомпонентной смеси, состоящей из невзаимодействующих друг с другом жидкостей и/или газов, применяется уравнение Вуда. Это же уравнение применимо и для оценки скорости звука в нейтральных взвесях.

Для растворов и других сложных физико-химических систем (например, природный газ, нефть) данные выражения могут давать очень большую погрешность.

В однородных твёрдых телах могут существовать два типа объёмных волн, отличающихся друг от друга поляризацией колебаний относительно направления распространения волны: продольная (P-волна) и поперечная (S-волна). Скорость распространения первой (cP){\displaystyle (c_{P})} всегда выше, чем скорость второй (cS){\displaystyle (c_{S})}:

cP=K+43Gρ=E(1−ν)(1+ν)(1−2ν)ρ,{\displaystyle c_{P}={\sqrt {\frac {K+{\frac {4}{3}}G}{\rho }}}={\sqrt {\frac {E(1-\nu )}{(1+\nu )(1-2\nu )\rho }}},}

cS=Gρ=E2(1+ν)ρ,{\displaystyle c_{S}={\sqrt {\frac {G}{\rho }}}={\sqrt {\frac {E}{2(1+\nu )\rho }}},}

где K{\displaystyle K} — модуль всестороннего сжатия, G{\displaystyle G} — модуль сдвига, E{\displaystyle E} — модуль Юнга, ν{\displaystyle \nu } — коэффициент Пуассона. Как и для случая с жидкой или газообразной средой, при расчетах должны использоваться адиабатические модули упругости.

В многофазных средах из-за явлений неупругого поглощения энергии скорость звука, вообще говоря, зависит от частоты колебаний (то есть наблюдается дисперсия скорости). Например, оценка скорости упругих волн в двухфазной пористой среде может быть выполнена с применением уравнений теории Био-Николаевского. При достаточно высоких частотах (выше частоты Био) в такой среде возникают не только продольные и поперечные волны, но также и продольная волна II-рода. При частоте колебаний ниже частоты Био, скорость упругих волн может быть приблизительно оценена с использованием гораздо более простых уравнений Гассмана.

При наличии границ раздела, упругая энергия может передаваться посредством поверхностных волн различных типов, скорость которых отличается от скорости продольных и поперечных волн. Энергия этих колебаний может во много раз превосходить энергию объёмных волн.

В чистой воде скорость звука составляет около 1500 м/с (см. опыт Колладона — Штурма) и увеличивается с ростом температуры. Прикладное значение имеет также скорость звука в солёной воде океана. Скорость звука увеличивается с увеличением солёности и температуры. При увеличении давления скорость также возрастает, то есть, увеличивается с глубиной. Предложено несколько различных эмпирических формул для вычисления скорости распространения звука в воде.

Например, формула Вильсона 1960 года для нулевой глубины даёт следующее значение скорости звука:

c=1449,2+4,623 T−0,0546 T2+1,39(S−35),{\displaystyle c=1449,2+4,623\ T-0,0546\ T^{2}+1,39(S-35),}

где c{\displaystyle c} — скорость звука в метрах в секунду,

T{\displaystyle T} — температура в градусах Цельсия,

S{\displaystyle S} — солёность в промилле.

Иногда также пользуются упрощённой формулой Лероя:

c=1492,9+3(T−10)−0,006(T−10)2−0,04(T−18)2 +{\displaystyle c=1492,9+3(T-10)-0,006(T-10)^{2}-0,04(T-18)^{2}\ +}

+ 1,2(S−35)−0,01(T−18)(S−35)+z/61,{\displaystyle +\ 1,2(S-35)-0,01(T-18)(S-35)+z/61,}

где z{\displaystyle z} — глубина в метрах.

Эта формула обеспечивает точность около 0,1 м/с для T<+20{\displaystyle T<+20} °C и при z<800{\displaystyle z<800} м.

При температуре +24 °C, солёности 35 промилле и нулевой глубине скорость звука равна около 1532,3 м/c. При T=+4{\displaystyle T=+4} °C, глубине 100 м и той же солёности скорость звука равна 1468,5 м/с^[7].

Коэффициенты формулы ЮНЕСКО
Коэффициент	Значение	Коэффициент	Значение
C00{\displaystyle C_{00}}	1402,388	A02{\displaystyle A_{02}}	7,166·10⁻⁵
C01{\displaystyle C_{01}}	5,03830	A03{\displaystyle A_{03}}	2,008·10⁻⁶
C02{\displaystyle C_{02}}	-5,81090·10⁻²	A04{\displaystyle A_{04}}	-3,21·10⁻⁸
C03{\displaystyle C_{03}}	3,3432·10⁻⁴	A10{\displaystyle A_{10}}	9,4742·10⁻⁵
C04{\displaystyle C_{04}}	-1,47797·10⁻⁶	A11{\displaystyle A_{11}}	-1,2583·10⁻⁵
C05{\displaystyle C_{05}}	3,1419·10⁻⁹	A12{\displaystyle A_{12}}	-6,4928·10⁻⁸
C10{\displaystyle C_{10}}	0,153563	A13{\displaystyle A_{13}}	1,0515·10⁻⁸
C11{\displaystyle C_{11}}	6,8999·10⁻⁴	A14{\displaystyle A_{14}}	-2,0142·10⁻¹⁰
C12{\displaystyle C_{12}}	-8,1829·10⁻⁶	A20{\displaystyle A_{20}}	-3,9064·10⁻⁷
C13{\displaystyle C_{13}}	1,3632·10⁻⁷	A21{\displaystyle A_{21}}	9,1061·10⁻⁹
C14{\displaystyle C_{14}}	-6,1260·10⁻¹⁰	A22{\displaystyle A_{22}}	-1,6009·10⁻¹⁰
C20{\displaystyle C_{20}}	3,1260·10⁻⁵	A23{\displaystyle A_{23}}	7,994·10⁻¹²
C21{\displaystyle C_{21}}	-1,7111·10⁻⁶	A30{\displaystyle A_{30}}	1,100·10⁻¹⁰
C22{\displaystyle C_{22}}	2,5986·10⁻⁸	A31{\displaystyle A_{31}}	6,651·10⁻¹²
C23{\displaystyle C_{23}}	-2,5353·10⁻¹⁰	A32{\displaystyle A_{32}}	-3,391·10⁻¹³
C24{\displaystyle C_{24}}	1,0415·10⁻¹²	B00{\displaystyle B_{00}}	-1,922·10⁻²
C30{\displaystyle C_{30}}	-9,7729·10⁻⁹	B01{\displaystyle B_{01}}	-4,42·10⁻⁵
C31{\displaystyle C_{31}}	3,8513·10⁻¹⁰	B10{\displaystyle B_{10}}	7,3637·10⁻⁵
C32{\displaystyle C_{32}}	-2,3654·10⁻¹²	B11{\displaystyle B_{11}}	1,7950·10⁻⁷
A00{\displaystyle A_{00}}	1,389	D00{\displaystyle D_{00}}	1,727·10⁻³
A01{\displaystyle A_{01}}	-1,262·10⁻²	D10{\displaystyle D_{10}}	-7,9836·10⁻⁶

Международная стандартная формула, применяемая для определения скорости звука в морской воде известна как формула ЮНЕСКО и описана в работе^[8]. Она более сложная, чем простые формулы приведенные выше и вместо глубины в неё входит давление как параметр. Оригинальный алгоритм ЮНЕСКО для расчётов по формуле описан в работе N. P. Fofonoff и R. C. Millard^[9].

В 1995 году коэффициенты, применяемые в данной формуле были уточнены^[10] после принятия международной температурной шкалы 1990 года. Конечная форма формулы ЮНЕСКО имеет следующий вид, входящие в формулу постоянные коэффициенты согласно^[10] приведены в таблице:

c(S,T,P)=Cw(T,P)+A(T,P)S+B(T,P)S3/2+D(T,P)S2,{\displaystyle c(S,T,P)=C_{w}(T,P)+A(T,P)S+B(T,P)S^{3/2}+D(T,P)S^{2},}

где Cw(T,P)=C00+C01T+C02T2+C03T3+C04T4+C05T5 +{\displaystyle C_{w}(T,P)=C_{00}+C_{01}T+C_{02}T^{2}+C_{03}T^{3}+C_{04}T^{4}+C_{05}T^{5}\ +}

+ (C10+C11T+C12T2+C13T3+C14T4)P +{\displaystyle +\ (C_{10}+C_{11}T+C_{12}T^{2}+C_{13}T^{3}+C_{14}T^{4})P\ +}

+ (C20+C21T+C22T2+C23T3+C24T4)P2 +{\displaystyle +\ (C_{20}+C_{21}T+C_{22}T^{2}+C_{23}T^{3}+C_{24}T^{4})P^{2}\ +}

+ (C30+C31T+C32T2)P3,{\displaystyle +\ (C_{30}+C_{31}T+C_{32}T^{2})P^{3},}

A(T,P)=A00+A01T+A02T2+A03T3+A04T4 +{\displaystyle A(T,P)=A_{00}+A_{01}T+A_{02}T^{2}+A_{03}T^{3}+A_{04}T^{4}\ +}

+ (A10+A11T+A12T2+A13T3+A14T4)P +{\displaystyle +\ (A_{10}+A_{11}T+A_{12}T^{2}+A_{13}T^{3}+A_{14}T^{4})P\ +}

+ (A20+A21T+A22T2+A23T3)P2 +{\displaystyle +\ (A_{20}+A_{21}T+A_{22}T^{2}+A_{23}T^{3})P^{2}\ +}

+ (A30+A31T+A32T2)P3,{\displaystyle +\ (A_{30}+A_{31}T+A_{32}T^{2})P^{3},}

B(T,P)=B00+B01T+(B10+B11T)P,{\displaystyle B(T,P)=B_{00}+B_{01}T+(B_{10}+B_{11}T)P,}

D(T,P)=D00+D10P.{\displaystyle D(T,P)=D_{00}+D_{10}P.}

Здесь T{\displaystyle T} — температура в градусах Цельсия (в диапазоне от 0 °С до 40 °С),

S{\displaystyle S} — соленость в промилле (в диапазоне от 0 до 40 промилле),

P{\displaystyle P} — давление в барах (в диапазоне от 0 до 1000 бар).

В библиотеке приводится исходный код алгоритма ЮНЕСКО на языке C#.

Скорость звука

↑ Скорость звука // под. ред. А. М. Прохорова Физическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 4.
↑ Тимкин С. История естествознания
↑ The Speed of Sound (неопр.). mathpages.com. Дата обращения 3 мая 2015.
↑ The Newton–Laplace Equation and Speed of Sound (неопр.). Thermal Jackets. Дата обращения 3 мая 2015.
↑ Murdin, Paul. Full Meridian of Glory: Perilous Adventures in the Competition to Measure the Earth (англ.). — Springer Science & Business Media, 2008. — P. 35—36. — ISBN 9780387755342.
↑ Fox, Tony. Essex Journal (неопр.). — Essex Arch & Hist Soc, 2003. — С. 12—16.
↑ Роберт Дж. Урик (Rodert J. Urick) Основы гидроакустики (Principles of underwater sound) Л: Судостроение, 1978; McGraw-Hill 1975.
↑ Chen‐Tung Chen, Frank J. Millero. Speed of sound in seawater at high pressures (англ.) // Journal of the Acoustical Society of America (англ.)русск.. — 1977-11-01. — Vol. 62, iss. 5. — P. 1129—1135. — ISSN 0001-4966. — doi:10.1121/1.381646.
↑ Millard R. C., Jr; Fofonoff N. P. Algorithms for the computation of fundamental properties of seawater (англ.). — 1983.
↑ ¹ ² George S. K. Wong, Shi‐ming Zhu. Speed of sound in seawater as a function of salinity, temperature, and pressure (англ.) // Journal of the Acoustical Society of America (англ.)русск.. — 1995-03-01. — Vol. 97, iss. 3. — P. 1732—1736. — ISSN 0001-4966. — doi:10.1121/1.413048.

Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Механика сплошных сред, 2 изд., М., 1953;
Михайлов И. Г., Соловьев В. А., Сырников Ю. П., Основы молекулярной акустики, М., 1964;
Колесников А. Е., Ультразвуковые измерения, М., 1970;
Исакович М. А., Общая акустика, М., 1973.

Почему преодоление самолетом звукового барьера сопровождается взрывоподобным хлопком? И что такое «звуковой барьер»?

Уважаемые!

Обсуждаемое явление имеет строгое научное объяснение.
Простейшей СТАТИЧЕСКОЙ моделью хлопка , именуемого «звуковым ударом»,может служить бутылка шампанского.Откройте бутылку шампанского и Вы услышите хлопок. Причина хлопка-взрыв сжатых газов.

ДИНАМИЧЕСКАЯ модель хлопка, которым сопровождается процесс преодоления «звукового барьера» самолётом, прекрасно иллюстрируется с помощью КОНУСА МАХА, который представляет собою коническую «шапку» из сжатых газов. Внутри конуса Маха,в его тылу, образуется вакуумированный объём,в который из конуса Маха срываются вихри,уносящие его энергию сжатия.
При равномерном околозвуковом полёте САМОЛЁТА энергия сжатия газов в конусе питается кинетической энергией К самолёта, которую в свою очередь, порождает энергия сжигаемого топлива в двигателях самолёта. Так формируется установившийся термодинамический процес у «звукового барьера».
Но вот самолёт начинает двигаться ускоренно. Величина ПРИСОЕДИНЁННОЙ массы сжатого воздуха в конусе Маха растёт и растёт давление.Этот рост имеет физический предел. Когда ПРИСОЕДИНЁННАЯ масса воздуха достигает критической величины,происходит следующее. Самолёт «прорывает» присоединённую массу воздуха. Сжатая ПРИСОЕДИНЁННАЯ масса воздуха вырывается на свободу подобно тому,как сжатые газы вырываются на свободу из открываемой бутылки шампанского.Этот процесс носит взрывообразный характер и , согласно второму закону термодинамики, не может быть обратимым.Взрыв газов всегда сопровождается звуковым «ударом» или хлопком.

Здесь необходимо пояснить понятие ПРИСОЕДИНЁННАЯ масса воздуха.
С этой целью полезно окрыть второй том «Механики сплошной среды» академика АН СССР Леонида Ивановича Седова. Применительно к шару,на странице 187 этого тома читаем:

«Шар в жидкости будет двигаться под действием некоторых сил так же, как он двигался бы в пустоте, если бы его масса М изменилась на м. Величина м называется ПРИСОЕДИНЁННОЙ массой шара.»

На субатомном уровне понятие ПРИСОЕДИНЁННАЯ масса имеет более глубокое происхождение.

Открываем книгу «Современная физика» профессора физики Корнельского университета (США) Р.Спроула на стр.28 и читаем :

«Приращение кинетической энергии К равно приращению массы м , умноженному на квадрат скорости света….Обычный закон сохранения энергии необходимо, таким образом,обобщить в ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МАССЫ-ЭНЕРГИИ».

Если бы шар (или самолёт) двигался с ускорением и дальше в сторону Космоса, то перед ним вновь появился бы новый конус Маха , где-то при 6 значениях скорости звука в воздухе. Но этот конус Маха состоял бы уже из ионизированных молекул и атомов воздуха,населяющих верхние слои атмосферы Земли.Вырвавшись в мировое пространство, шар стал бы приближаться к «световому барьеру». И перед ним вновь возник бы конус Маха.Но этот конус Маха состоял бы из сжатого эфира.Прорывать «сетовой барьер» люди не научились.А когда научатся, вопреки предсказаниям СТО и ОТО,то такой «прорыв» будет сопровождаться катастрофическим взрывом.

Упрощённое описание этого сложного термодинамического процесса предполагает и его более фундаментальное описание, вскрывающее многомерную(спектральную) структуру мирового пространства.
См.http://yvsevolod-26.narod.ru/index.html

Всеволод Сергеевич Ярош

Звуковой барьер — Мастерок.жж.рф — LiveJournal

Необычную картину можно иногда наблюдать во время полета реактивных самолетов, которые словно выныривают из облака тумана. Это явление называется эффектом Прандтля-Глоерта и заключается в возникновении облака позади объекта, движущегося на околозвуковой скорости в условиях повышенной влажности воздуха.

Причина возникновения этого необычного явления заключается в том, что летящий на высокой скорости самолёт создаёт область повышенного давления воздуха впереди себя и область пониженного давления позади. После пролёта самолёта область пониженного давления начинает заполняться окружающим воздухом. При этом в силу достаточно высокой инерции воздушных масс сначала вся область низкого давления заполняется воздухом из близлежащих областей, прилегающих к области низкого давления.

Этот процесс локально является адиабатическим процессом, где занимаемый воздухом объём увеличивается, а его температура понижается. Если влажность воздуха достаточно велика, то температура может понизиться до такого значения, что окажется ниже точки росы. Тогда содержащийся в воздухе водяной пар конденсируется в виде мельчайших капелек, которые образуют небольшое облако.

Кликабельно 2600 рх

По мере того, как давление воздуха нормализуется, температура в нём выравнивается и вновь становится выше точки росы, и облако быстро растворяется в воздухе. Обычно время его жизни не превышает долей секунды. Поэтому при полёте самолёта кажется, что облако следует за ним — вследствие того, что оно постоянно образуется сразу позади самолёта, а затем исчезает.

Существует распространённое заблуждение, что возникновение облака из-за эффекта Прандтля-Глоерта означает, что именно в этот момент самолёт преодолевает звуковой барьер. В условиях нормальной или слегка повышенной влажности облако образуется только при больших скоростях, близких к скорости звука. В то же время при полётах на малой высоте и в условиях очень высокой влажности (например, над океаном) этот эффект можно наблюдать и при скоростях, значительно меньших скорости звука.

Кликабельно 2100 рх

С “хлопком” происходит недоразумение, вызванное неверным пониманием термина “звуковой барьер”. Этот “хлопок” правильно называть “звуковым ударом”. Самолет, движущийся со сверхзвуковой скоростью, создает в окружающем воздухе ударные волны, скачки воздушного давления. Упрощенно эти волны можно представить себе в виде сопровождающего полет самолета конуса, с вершиной, как бы привязанной к носовой части фюзеляжа, а образующими, направленными против движения самолета и распространяющимися довольно далеко, например до поверхности земли.

Клкиабельно 2500 рх

Когда граница этого воображаемого конуса, обозначающая фронт основной звуковой волны, достигает уха человека, то резкий скачок давления воспринимается на слух как хлопок. Звуковой удар, как привязанный, сопровождает весь полет самолета, при условии что самолет движется достаточно быстро, пусть и с постоянной скоростью. Хлопком же кажется проход основной волны звукового удара над фиксированной точкой поверхности земли, где, например, находится слушатель.

Другими словами, если бы сверхзвуковой самолет с постоянной, но сверхзвуковой скоростью принялся летать над слушателем туда-сюда, то хлопок слышался бы каждый раз, спустя некоторое время после пролета самолета над слушателем на достаточно близком расстоянии.

А вот посмотрите какой интересный кадр ! Первый раз такое вижу !

Кликабельно 1920 рх — кому на стол !

Что будет, если лететь на реактивном истребителе ровно со скоростью звука?

Полеты на дозвуковой и сверхзвуковой скоростях выделяют в связи с различной динамикой обтекания крыла (и самолета в целом), а также в связи с различиями в работе двигателей на разных скоростях. Так, «обычный», дозвуковой профиль крыла (профилем называют фигуру, получаемую если срезать крыло «поперек», именно профиль позволяет крылу стать несущей системой) при приближении к скорости звука и переходе за неё резко меняет свои свойства, и вместо поддержания самолета в воздухе затягивает его в крутое пикирование.

Напротив, профиль, который приспособлен к работе на сверхзвуке — невыгоден на малой, дозвуковой скорости. Он работает примерно как фанерка, выставленная в набегающий поток, его несущая способность невелика, а диапазон углов атаки (это угол между хордой профиля — его максимальной длиной — и направлением набегания воздуха), в котором такой профиль работоспособен — мал.

Для того, чтобы сверхзвуковой самолет мог летать на дозвуковой скорости применяется мощнейшая механизация крыла — система смещаемых панелей в передней и задней частях профиля, которая практически позволяет превратить сверхзвуковой профиль в дозвуковой. Характер обтекания при достижении скорости звука меняется скачкообразно, резко. Соответственно, при переходе через звуковой барьер нужно так же резко, скачком, поменять аэродинамику самолета.

При этом, сама по себе скорость звука в воздухе может меняться в заметных пределах — в зависимости от температуры, влажности, давления (высоты), и происходит это достаточно непредсказуемо. Поэтому есть определенный диапазон скоростей, называемых «трансзвуковыми» — примерно от 0.75 до 1.2Мах (число Маха — скорость звука в среде), в котором характер обтекания труднопредсказуем и может внезапно и значительно изменяться. В таких условиях полет становится нестабильным, требуется постоянная коррекция аэродинамики самолета, и даже небольшая ошибка в этой коррекции может привести к возникновению значительных и некомпенсируемых аэродинамических сил, с катастрофическими последствиями.

Поэтому, предпочтительно летать, «не залезая» в диапазон трансзвуковых скоростей, а в случае выхода на сверхзвук — проходить этот «опасный» диапазон как можно быстрее. Поэтому разгон до сверхзвука как правило выполняется резким увеличением тяги двигателей до максимума, а затем, после прохождения трансзвука, тягу уменьшают до потребной для поддержания выбранной скорости. Образно можно сравнить переход звукового барьера с обгоном — Вы можете безопасно ехать позади или впереди другой машины, но момент обгона опасен, и надо выполнять его быстро и уверенно.