Dans le domaine de la physique, il existe certaines barrières que les êtres humains ont fini par reconnaître. La plus connue est la vitesse de la lumière, la vitesse maximale à laquelle toute matière conventionnelle et toute forme d'information dans l'Univers peuvent se déplacer. C’est une barrière que l’humanité ne pourra peut-être jamais franchir, principalement parce que cela viole une des lois les plus fondamentales de la physique - la théorie de la relativité générale d’Einstein.
Mais qu'en est-il de la vitesse du son? C'est une autre barrière en physique, mais que l'humanité a réussi à franchir (plusieurs fois en fait). Et quand il s'agit de briser cette barrière, les scientifiques utilisent ce qu'on appelle un nombre de Mach pour représenter la limite d'écoulement au-delà de la vitesse locale du son. En d'autres termes, dépasser la barrière acoustique est défini comme Mach 1. Alors, à quelle vitesse devez-vous faire cela?
Définition:
Lorsque nous entendons le terme Mach 1, il est facile de supposer qu'il s'agit de la vitesse du son à travers l'atmosphère terrestre. Cependant, ce terme est plus chargé que vous ne le pensez. La vérité est qu'un nombre de Mach est un rapport plutôt qu'une mesure directe réelle de la vitesse. Et ce rapport est dû au fait que la vitesse du son varie d'un endroit à l'autre, en raison des différences de température et de densité de l'air.
Mathématiquement, cela peut être défini comme M = u/c, où M est le nombre de Mach, u est la vitesse d'écoulement locale par rapport aux limites (c'est-à-dire la vitesse de l'objet se déplaçant à travers le milieu), et c est la vitesse du son dans ce milieu particulier (c'est-à-dire l'atmosphère locale, l'eau, etc.).
Lorsque la vitesse du son est interrompue, il en résulte ce que l'on appelle un «boom sonique». Il s'agit du son puissant et craquant associé aux ondes de choc créées par un objet se déplaçant plus rapidement que la vitesse locale du son. Les exemples vont d'un avion brisant la barrière acoustique à des barrages flottants miniatures provoqués par des balles volant par, ou la fissure d'un coup de fouet.
Vitesse du son:
Fondamentalement, la vitesse du son est la distance parcourue dans un certain laps de temps par une onde sonore lorsqu'elle se propage à travers un milieu élastique. Comme déjà indiqué, il ne s'agit pas d'une valeur universelle, mais se résume à la composition du milieu et aux conditions de ce milieu. Lorsque nous parlons de la vitesse du son, nous nous référons à la vitesse du son dans l'atmosphère terrestre. Mais même cela est sujet à variation.
Cependant, les scientifiques ont tendance à s'appuyer sur la vitesse du son mesurée dans l'air sec (c'est-à-dire une faible humidité) et à une température de 20 ° C (68 ° F) comme norme. Dans ces conditions, la vitesse locale du son est de 343 mètres par seconde (1235 km / h; 767 mph) - soit 1 kilomètre en 2,91 s et 1 mile en 4,69 s.
Classifications:
Comme avec la plupart des ratios, il existe des approximations et des catégories qui sont utilisées pour mesurer la vitesse de l'objet par rapport à la barrière acoustique. Cela nous donne les catégories de subsonique, transsonique, supersonique, et hypersonique. Ce système de catégorisation est souvent utilisé pour classer les aéronefs ou les engins spatiaux, l'exigence minimale étant que la plupart des engins classés aient la capacité d'approcher ou de dépasser la vitesse du son.
Pour les aéronefs ou tout objet qui vole à une vitesse inférieure à la barrière acoustique, la classification subsonique s'applique. Cette catégorie comprend la plupart des jets de banlieue et des petits avions commerciaux, bien que certaines exceptions aient été notées (c'est-à-dire les avions commerciaux supersoniques comme le Concorde).
Étant donné que ces embarcations n'atteignent ni ne dépassent jamais la vitesse du son, elles auront un nombre de Mach inférieur à un et donc exprimé sous forme décimale - c'est-à-dire inférieur à Mach 0,8 (273 m / s; 980 km / h; 609 mph). En règle générale, ces avions sont propulsés par hélice et ont tendance à avoir des ailes à rapport d'aspect élevé (élancées) et des caractéristiques arrondies.
La désignation de transonique s'applique à une condition de vol où une gamme de vitesses d'écoulement d'air existe autour et au-delà de l'aéronef. Ces vitesses sont simultanément inférieures, égales et supérieures à la vitesse du son, allant de Mach 0,8 à 1,2 (273-409 m / s; 980-1 470 km / h; 609-914 mph). Les avions transsoniques ont presque toujours des ailes balayées, entraînant le retard de la traînée-divergence, et sont entraînés par des moteurs à réaction.
La catégorie suivante est supersonique avion. Ce sont des vaisseaux qui peuvent aller au-delà de la compression de l'air qui est la «barrière acoustique». Ces embarcations ont généralement un nombre de Mach compris entre 1 et 5 (410–1 702 m / s; 1 470–6 126 km / h; 915-3 806 mph). Les avions conçus pour voler à des vitesses supersoniques présentent de grandes différences dans leur conception aérodynamique en raison des différences radicales dans le comportement des écoulements au-dessus de Mach 1.
Ceux-ci comprennent des arêtes vives, des sections d'ailes minces et des stabilisateurs de queue (aka. Ailerons) ou des canards (ailes antérieures) qui sont capables de s'ajuster. Les vaisseaux qui ont généralement cette désignation incluent les avions de chasse modernes, les avions espions (comme le SR-71 Blackbird) et le Concorde susmentionné.
La dernière catégorie est hypersonique, qui s'applique aux avions pouvant dépasser la vitesse de Mach 5 et atteindre des vitesses aussi élevées que Mach 10 (1 702–3 403 m / s; 6 126–12 251 km / h; 3 806– 7 680 mph). Très peu d'avions peuvent se déplacer à de telles vitesses et ont tendance à être propulsés par des fusées (comme le X-15), des scramjets (comme le X-43 ou HyperX) ou des engins spatiaux qui sont en train de quitter l'atmosphère terrestre.
Un autre exemple est celui des objets pénétrant dans l'atmosphère terrestre. Ceux-ci peuvent prendre la forme d'engins spatiaux effectuant une rentrée, ou de météorites qui ont traversé et se sont brisées dans l'atmosphère terrestre. Par exemple, le météore qui est entré dans le ciel au-dessus de la petite ville de Tcheliabinsk, en Russie, en février 2013 se déplaçait à une vitesse d'environ 19,16 ± 0,15 km / s (68 436 - 69 516 km / h; 42 524 - 43 195 mph) .
En d'autres termes, la météorite voyageait entre Mach 55 et 56 lorsqu'elle a frappé notre atmosphère! Compte tenu de sa vitesse incroyable, lorsque le météore a atteint le ciel au-dessus de Tcheliabinsk, il a créé un boom sonore si puissant qu'il a causé des dégâts considérables à des milliers de bâtiments dans six villes de la région. Ces dégâts, qui comprenaient de nombreuses fenêtres qui explosaient, ont fait 1 500 blessés.
Alors, à quelle vitesse est Mach One? La réponse courte est que cela dépend de l'endroit où vous vous trouvez. Mais en général, c'est une vitesse qui dépasse environ 1200 km / h ou 750 mph. Si vous êtes capable d'aller aussi vite, vous briserez le mur du son et les gens à des kilomètres à la ronde en entendront parler!
Nous avons écrit de nombreux articles intéressants sur le son ici Space Magazine. Voici ce qu'est le son?, Quel est le jet le plus rapide au monde?, Qu'est-ce que la résistance de l'air?, Et à quoi ressemble la NASA?
Pour plus d'informations, consultez l'article de la NASA sur le nombre de Mach, et voici un lien vers une leçon sur le nombre de Mach.
Nous avons enregistré un épisode d'Astronomy Cast consacré à la navette spatiale. Écoutez ici, épisode 127: La navette spatiale américaine.
Sources:
- NASA - Numéro Mach
- Wikipédia - Numéro Mach
- Aerospaceweb - Vitesse du son, nombre de Mach et barrière acoustique
