Махов број

Ернест Мах
 

 Махов број је однос брзине кретања тела и брзине простирања звука, изазваног поремећајем, услед кретања тела кроз флуид. Овај феномен је дефинисан као физички појам према аустријском физичару и филозофу Ернесту Маху као Махов број. Обележава се са  M.

Махов број је уведен у аеродинамику, као параметар, у циљу идентификације утицаја стишљивости на карактеристике струјања ваздуха. Користи се и шире, као бездимензионзиона физичка величина, у гасодинамици.

Брзина простирања звука се скраћено назива брзина звука, обележава се са c.

Дефиниција основе

Брзина звука

Преношење звука је једино могуће кроз супстанцијалну средину. Позната је чињеница, да вакуумски простор не преноси звук, јер је за преношење механичких таласа потребна еластичност средине, коју за разлику од супстанцијалних средина вакуум не поседује. Тај простор је глув.

КОРИШЋЕНЕ

ФИЗИЧКЕ ВЕЛИЧИНЕ

НазивОзнакаИзразДимензија
Основне
Дужина
m
Време
s

Маса

kg
Изведене

Брзина

m/s

Брзина звука

m/s
Моларна маса
kg/mol
Махов број
Површина
Запремина
Убрзање
m/s²
Сила
kgm/s²
Притисак
kg/ms²
Густина  
kg/m³
Динамички

притисак

kg/ms²
Коефицијент

силе

Температура

(степ. Келвина)

Универзална

гасна конст.

 
8.3144621 (75)
Однос

спец. топлота

Посебно је интересантно изучавање карактеристика простирања звука кроз флуид и то кроз ваздух у атмосфери. Ваздух је стишљив флуид и релативно хомогена и изотропна средина, што омогућава да се поремећај једне честице преноси, у свим правцима подједнако, сферно на све суседне честице. Ради лакшег разумевања, треба замислити ту честицу ваздуха као тачкасти извор поремећаја. Тај тачкасти извор емитује инфинитезималне таласе притиска, који се шире сферично, око те тачке, брзином звука. Физикална слика те појаве се добија, посматрајући ширење таласа у мирној води око пецарошког пловка, који осцилује. Та аналогија слике је потпуна, ако се замисли да се посматра, пресечено сферично преношење поремећаја у ваздуху, с хоризонталном равни.

Површине замишљених сфера представљају дисконтинуитет притиска, изазваног поремећајем.

Поремећај, с честице на суседну честицу се преноси брже ако је њихово међусобно растојање мање, јер је брзина таласа у датој средини константна. Када не би било тога растојања, међу честицама, брзина преноса поремећаја, односно брзина звука, би била бесконачно велика. Други крајњи случај је када би то међусобно растојање било бесконачно велико, простор би представљао вакуум, у коме је брзина звука једнака нули. Стварне вредности брзине звука се налазе између ових крајњих случајева. Мање растојање између честица значи њихов гушћи распоред у датом простору. То се своди на закључак, да брзина звука расте с повећањем густине ваздуха у датом простору, па и у атмосфери. Пошто је густина ваздуха у функцији од притиска и температуре и брзина звука је посредно у функцији од температуре и притиска. Та међусобна зависност, ових физичких величина, је стандардизована на међународном нивоу, у стандард атмосферу. У атмосфери, с висином опада брзина звука.[4]Шаблон:Main На пример, према стандард атмосфери, на висини H = 0 m, брзина звука је: c = 340 m/s.

Та вредност се срачунава општом формулом и за нормално подручје температура ваздуха у атмосфери се поједностављује само на функцију од температуре. Заменом одговарајућих врености моларне масе ваздуха (m) и константе R (универзалне гасне константе) добија се та вредност брзине звука:

Овај образац важи за идеалне гасове, али се условно примењује и на реалне, у које спада и ваздух.

Бездимензиона анализа

За случај у аеродинамици, с претпоставком да коефицијенат аеродинамичке силе зависи од облика аеротела, његовог положаја у односу на струјање и од густине и притиска ваздуха, у општој функцији је:

Где су: κ облик аеротела, α нападни угао и β бочни угао.

Претходна функција се може развити у ред:

Применом бездимензионе анализе, као код сваке једначине, мора се постићи идентичност између обеју страна, а овде димензија њене леве и десне стране:

Коефицијент аеродинамичке силе CF нема димензију, те и и однос величина на десној страни једначине мора бити без димензије. То значи, обе стране једначине су без димензије:

Из овога услова се одређују експоненти утицајних физичких величина, у претпостављеној функцији (x, y, z и p), за један од карактеристичних случајева када је [CF] = 1:

 

 

 

Решењем овог система једначина, добијају се вредности за тражене непознате:

 Пошто су A, p, q, r, s потпуно произвољне вредности и c2=p/ρ произилази да је:

 

 
 Пример а).
 
 
Пример б)
 
 
 

Случај д)
 
 
 
   Маховог конус пресечен
с равни
 

Професор Јакоб Акерет је овај однос брзине тела и брзине звука, којом се преноси изазвани поремећај у ваздуху, назвао Махов број у знак признања научном доприносу аустријског физичара Ернста Маха.

Ако се уведе ознака за Махов број M, функција за коефицијент аеродинамичке силе, за условно невискозни ваздух добија облик::



Претходна функција представља математичку потврду утицаја стишљивости ваздуха на аеродинамичке силе. Квантификација тога утицаја се изражава помоћу Маховог броја. 








 

Махови параметри

Професор Ернест Мах, физичар, је изучавао кретање зрна ватреног оружја, далеко пре појаве првих авиона. Добијени параметри, кроз његово повезивање брзине звука и брзине кретања зрна кроз ваздух, нису тада названи његовим именом. Касније је професор Јакоб Акерет, изучавајући и постављајући основе надзвучне аеродинамике, уочио неопходност повезивања брзине звука и брзине кретања тела кроз ваздух. За ту намену је преузео Махове параметре и назвао их по његовом имену.

Дате скице су погодне за анализу и закључке, о међусобној вези брзине звука и брзине тела.

 
    • Пример а) је почетни, у коме тело, односно извор поремећаја мирује. Та скица помаже схватање ширења звука.
    • Пример б) илуструје претицање брзине преноса звука у односу на мању брзину тела, односно на мању брзину кретања извора поремећаја.
       
    • Пример ц) илуструје случај изједначених брзина звука и поремећаја. Испред тачке изједначења обеју брзина, још увек је тишина. Последња скица је кључна за закључке и схватање Махових параметара. Код тога примера се извор поремећаја креће брже од простирања његовог сигнала. Може се усвојити да дати бројеви на скицама представљају време у секундама. Тада је, у примеру д), извор поремећаја био у положају -3 пре три секунде. За те три секунде се поремећај проширио по површини сфере, полупречника 3c, док је за то време извор поремећаја прешао пут од 3 v. Тај однос пређених растојања је увек исти (c/v), за било које време. Том анализом се долази до закључка, да су све сфере ширења поремећаја, тангиране правим линијама. У бочној пројекцији, се добије слика правоуглог троугла, чија се величина линеарно повећава с временом. Налегла ордината, тога троугла, је тангента на сфере преношења поремећаја и она се назива Махова линија. Она заклапа угао ψ с вектором брзине, који се назива Махов угао. Супротна ордината троугла је брзина звука c, а хипотенуза му је брзина , с којом се креће извор поремећаја (тачка, авион итд). Површина, коју сачињава скуп Махових линија, као скуп изводница, се назива Махов конус. Очигледно, да је угао Маховог конуса исто Махов угао. Зона изван Маховог конуса је зона тишине, у њој нема информација о присуству тела.


Пресеком Маховог конуса с било с којом равни добија се граница подзвучног и надзвучног струјања, Махова линија, то јест ударни талас пресликан у правцу равни пресецања. То је илустровано на претпоследњој слици. По дефиницији, Махов број је однос брзине кретања тела и брзине простирања звука (брзине звука) кроз флуид (ваздух):

Из троугла је очигледна релација:

 

Произилази да је Махов угао имагинаран за подзвучно струјање, пошто је у тој области:

То одговара на скици примеру б), а у примеру када је струјање дефинисано релацијама:

, тада је и

Успоставља се нормални ударни талас, како се лаички обично каже „звучни зид“.

Када је брзина тела већа од брзине звука, при кретању кроз ваздух, његове честице се сударе с телом пре него што стигне сигнал до њих о присуству истог. Тело, при кретању у тим условима, гура честице ваздуха с њихове путање. То ствара грубу принуду и међусобно померање честица ваздуха у струјном пољу, што се даље простире у облику таласа. Таласе граниче Махове линије. Испред и иза њих је различит притисак. Нормални ударни таласи постоје при локалној брзини струјања једнакој брзини звука. При локалној брзини струјања ваздуха већој од брзине звука, појављују се коси ударни таласи. Коси ударни таласи, прелазе у експанзионе ударне таласе, ако се локална брзина надзвучног струјања ваздуха смањи испод брзине звука. Сагласно претходном, притисак код косог ударног таласа је већи иза Махове линије, а код експанзионог је већи испред. Ударни таласи се називају Махови таласи. Нормални ударни талас се дешава у тренутку постизања v = c. У томе тренутку, драстично скочи притисак, пропраћен снажном експлозијом. Та појава се народски (лаички) назива пробијање звучног зида. За ту појаву је везан интересантан феномен. У самом тренутку експлозије се не чује звук мотора и присуство авиона. Непосредно после експлозије, чује се пристигли звук мотора, а авион се визуелно уочава далеко испред правца појаве звука експлозије (илустрација на слици горе десно). То је сасвим сагласно чињеници, да авион у самом тренутку експлозије има брзину лета једнаку брзини звука, а након тога, авион је престиже и лети испред свога звука (случај д)). Други феномен је да пилот не чује експлозију, при пробијању звучног зида свога авиона, пошто он бежи већом брзином лета од брзине ширења звука те експлозије. Звук експлозије заостаје иза авиона.

Критични Махов број је при коме се јавља први локални ударни талас, на телу при кретању с окозвучном брзином. Обележава се:

Маховог конус

На слици десно је илустрација зоне тишине изван Маховог конуса. Авион је прошао изнад посматрача. Он га визуелно прати али га још не чује, пошто се налази у зони тишине (изван ударног таласа).

Намене

Махови параметри значајно поједностављују схватање природе стишљивости, при струјању флуида. Основа свих Махових параметара је Махов број. Он једини има аналитички и експериментални значај у аеродинамици, при анализи утицаја стишљивости на карактеристике струјања. Наиме, Махов број је мера утицаја те стишљивости. Стишљивост има доминантан утицај на пораст отпора и на померање неутралне тачке у крозвучној и надзвучној области брзина.

Остали Махови параметри произилазе из Маховог броја и користе се за објашњење физикалности надзвучног
струјања, за објашњење визуелизације тога струјања и за његово графичко представљање. 

Лет авиона у три карактеристичне области брзина (М → Махов број).

Одређивање бројне вредности Маховог броја

За теоретско и експериментално истраживање струјања гаса, посебну улогу има његово протицање кроз цев. Одређивање Маховог броја у функцији површине попречног пресека цеви је основа компресибилног струјања гаса.
Одређивање бројних вредности Маховог броја, у струјном пољу око аеротела, може се реализовати прорачунским методама и мерењем. Мерење може бити у аеротунелу и у лету. У лету може бити у функцији испитивања и стандардно у функцији сталног информисања  пилота о режиму лета авиона. Овај други случај је важнији и он је обрађен у овом поглављу.

Аналитичко одређивање Маховог броја у струјном пољу у цеви

Илустрација изгледа цеви, с променом
пресека по Лаваловој законитости.
 

Параметри струјања у
Лаваловом млазнику

Анализа услова за постизање надзвучног струјања невискозног, стишљивог флуида у цеви се може извршити помоћу једначине континуитета или помоћу једначине енергије (Бернулијева једначина). Једначина континуитета, или једначина одржања масе има облик:

 

 

Брзина и Махов број су повезани по дефиницији:

 

 



Коришћене физичке величине су приказане горе у „кућици“, а при томе су узете и релације:

 

 

За изентрописко струјање гаса је важећа једнакост:

 

 

 

Где је:

  •  - тотални притисак
  •  - тотална температура

За инзетропски процес у гасу важи релација:

 

Ова једначина омогућава прорачун Маховог броја за било који невискозни, компресибилни гас, у било коме пресеку цеви познате површине.

Претходна општа једначина, за проток гаса, може се конкретизовати за проток одређене масе ваздуха и изгледа:

 

 

 

Махов број око тела у
надзвучној струји

Аналитичко одређивање Маховог броја у струјном пољу око аеротела

Брзине струјања ваздуха, пре и после линије ударног таласа се састоје из својих компонената:

 

 

Веза угла косог ударног таласа ψ и угла нагиба странице аеротела θ, с компонентама брзина је:     

                                                                                                                                                

Илустрација везе углова косог
ударног таласа и нагиба странице
  аеротела с параметрима струјања.

 

Елиминацијом компоненте v, из предхоне једначине и користећи једначину континуитета добија се:

 

 

 

 Илустрација везе углова косог ударног таласа и нагиба странице аеротела с параметрима струјања приказана је на горњој скици, десно.

 Тригонометриска веза између θ, ψ и M1 је:                                     

 

 

 

Користећи тригонометријску везу:

Махов број, око тела, у струји иза
нормалног ударног таласа
 
Коси ударни таласи
 
 
 

 

 

Веза између угла и Маховог броја непоремећене струје је обрађена у претходним поглављима и у облику је:

  

 

 

Овим су дефинисани сви потребни параметри за прорачун Маховог броја ваздушне струје у околини аеротела, а за γ = 1,4 једначина има облик:

 

 

 

За гранични случај, када су брзина тела и звука изједначени, успоставља се нормални ударни талас

Одговарајућа једначина за прорачун бројне вредности Маховог броја око аеротела, иза нормалног ударног таласа, за γ = 1,4 је:

Мерење Маховог броја, за авион у лету

Пито цев

 

 

 

Систем за мерење Маховог броја лета авиона се састоји из Пито цеви (давача) и показивача бројне вредности. Показивач може бити инструмент, махметар и дигитални на екрану (дисплеју) за податке лета. Пито цев служи као давач укупног и статичког притиска. На основу којих се одреди Махов број и пренесе у кабину пилота, на показивач. На основу физикалности струјања је одређен алгоритам обраде измереног укупног и статичког притиска и прорачун Маховог броја лета.

Када је Пито цев у надзвучној ваздучној струји, испред ње се формира одвојени, чеони ударни талас

Непосрено испред предњег отвора Пито цеви чеони ударни талас је ефекта нормалног таласа, иза кога је подзвучно струјање. Поље испред ударног таласа се може нумерисати са „1“, а иза са „2“. Оба струјања су изентропска, све до отвора, уласка у цев, који служи за мерење укупног притиска.

Задатак се своди на одређивање односа између укупног и статичког притиска непоремећене ваздушне струје. При нормалној загрејаности ваздуха је γ=1,4.

Показивач (инструмент) Маховог
броја у кабини пилота.
 

 

 

 

 

 

Однос статичког притиска испред и иза нормалног ударног таласа је дефинисан с познатом релацијом:

 

 

 

Подаци, које Пито цев узима о нивоу укупног притиска и о статичком, непоремећене струје, су од интереса за прорачун Маховог броја испред и иза нормалног ударног таласа, по формули:

 

 

 

 

Из три опште, последње релације произилази веза Маховог броја лета и односа притиска:

 

Чеони ударни талас,
испред отвора Пито цеви.

 
 
 
 
 

 

Ово је једначина Рајлија, за Пито цев. За вредност γ=1,4, за ваздух има изглед:

 

 

 

 Чеони ударни талас, испред отвора Пито цеви (приказано на скици десно горе). Његова пресечна тачка с осом Пито цеви, има ефекат нормалног ударног таласа.

На основу измерених притисака pt и p1, на основу направљеног алгоритма се по овој формули срачуна Махов број лета, а добијени резултат се преноси на показивач у кабини пилота (приказан горе десно изнад).

Види још

  • Аееродинамика
  • Рејнолдсов број
  • Аеротунели

Извори

  1. ^ Aerodinamika, Mašinski fakultet Beograd, 1992.g., str.592, Prof. dr Tomislav Dragović dipl. ing.
  2. ^ Aerodinamika, 1960.g. str.142 i 143, Dipl. ing. dr Zlatko Rendulić
  3. ^ Aerodinamika, Mašinski fakultet Beograd, 1992.g., glava 7, str.150, Prof. dr Tomislav Dragović dipl. ing.
  4. ^ Aerodinamika, 1960.g. str.14 i 15, Dipl. ing. dr Zlatko Rendulić
  5. ^ „Бездимензиона анализа“. Desktopaero.com Приступљено 22. 03. 2013.
  6. ^ Hidrodinamika, IV izdanje, str.1, Mašinski fakultet Univerziteta u Beogradu, 2005.g., Svetislav M Čantrak
  7. ^ „Махов број“. Desktopaero.com Приступљено 22. 03. 2013.
  8. ^ Osnovi aerodinamičkih konstrukcija, prvi deo, str. 90, Naučna knjiga, Beograd, 1950.g., Prof. univerziteta Miroslav Dr Nenadović dipl. ing.
  9. ^ „Махов број за проток гаса у цеви“. Grc.nasa.gov. 21. 08. 2009.
  10. ^ „Махов број за проток ваздуха кроз цев“. Grc.nasa.gov. 29. 07. 2008.
  11. ^ Aerodinamika, Masinski fakultet Beograd, 1992.g.,glava 9, str.229 i 231,Prof. dr Tomislav Dragović dipl. ing.
  12. ^ „Надзвучно струјање“. Grc.nasa.gov. 09. 09. 2011.
  13. ^ „Нормални ударни талас“. Grc.nasa.gov. 02. 09. 2011.
  14. ^ „Питот цев“. Grc.nasa.gov. 27. 08. 2010.