ماخ چیست؟ کاربرد آن در صنایع مختلف

آیا می‌دانید ماخ چیست؟ Mach واحدی بی‌بعد برای اندازه‌گیری سرعت در مقایسه با سرعت صوت است. این واحد توسط فیزیکدان اتریشی ارنست ماخ ابداع شد و به افتخار او نامگذاری شده است.

عدد ماخ در علوم هوافضا، آیرودینامیک و مهندسی، معیاری برای اندازه‌گیری سرعت در شرایط مختلف جوی است. مفهوم ماخ به‌ویژه در حرکت اجسام با سرعت‌های بالا، مانند هواپیماها و موشک‌ها، اهمیت ویژه‌ای دارد و در طراحی و تحلیل رفتار آن‌ها در جریان‌های مختلف هوا مورد استفاده قرار می‌گیرد.

توسعه مفهوم ماخ با ارنست ماخ

ارنست ماخ در اواخر قرن نوزدهم با مطالعه و تحقیق بر روی دینامیک سیالات و گازها، درک علمی از حرکت اجسام در سرعت‌های بالا و پدیده‌های آیرودینامیکی را دگرگون کرد.

او نظریه‌هایی را درباره حرکت اجسام در محیط‌های گازی مطرح کرد و از اصول اولیه دینامیک برای تبیین رفتار جریان هوا در اطراف اجسام متحرک بهره گرفت.

ارنست ماخ با ارائه مفاهیمی که بعدها به‌عنوان عدد ماخ شناخته شد، پایه‌گذار مفاهیم اساسی در علم آیرودینامیک و طراحی هواپیما شد.

عدد ماخ و تأثیر شرایط محیطی

سرعت صوت به شرایط محیطی وابسته است و این یعنی عدد ماخ برای یک سرعت خاص در شرایط مختلف متفاوت خواهد بود. برخی از عوامل مؤثر عبارت‌اند از:

• دما: سرعت صوت با دمای محیط رابطه مستقیم دارد؛ با افزایش دما، سرعت صوت افزایش می‌یابد.
• ارتفاع: در ارتفاعات بالاتر، به دلیل کاهش دما و چگالی هوا، سرعت صوت کاهش می‌یابد. این مسئله در طراحی هواپیماها و وسایل پرنده بلندپرواز اهمیت دارد.
• رطوبت: افزایش رطوبت در هوا به افزایش سرعت صوت می‌انجامد، هرچند اثر آن معمولاً بسیار کم است.

مفهوم عدد ماخ

عدد ماخ نشان‌دهنده نسبت سرعت یک جسم به‌سرعت صوت در شرایط محیطی همان نقطه است. این مفهوم، به دلیل تفاوت سرعت صوت در شرایط مختلف جوی و محیط‌های متفاوت مانند آب یا هوا، اهمیت دارد.

سرعت صوت با عواملی مانند دما، فشار و چگالی هوا تغییر می‌کند؛ به طور مثال در دمای 15 درجه سانتی‌گراد و در سطح دریا، سرعت صوت حدود 343 متر بر ثانیه است. این سرعت در ارتفاعات بالا و با کاهش دما به طور چشمگیری کاهش می‌یابد. در عدد ماخ:

• M: عدد ماخ است.
• V: سرعت جسم است.
• a: سرعت صوت در شرایط جوی مورد نظر است.

ماخ با بقیه واحدهای اندازه‌گیری متفاوت است. در واقع یک کمیت بدون بعد است. سرعت صوت در هوا تقریبا 340 متر بر ثانیه است.

اگر جسمی در هوا با سرعتی بیشتر از سرعت صوت حرکت کند، این سرعت را با عدد ماخ اندازه می‌گیرند. هر 1 ماخ معادل 1234.8کیلومتر بر ساعت است.

سرعت 120 کیلومتر در ساعت تقریباً عددب معادل 0.1 ماخ است و سرعت 950 کیلومتر برساعت حدوداًمعادل 0.9 ماخ است.

دسته‌بندی سرعت‌ها بر اساس عدد ماخ

سرعت‌های مختلف نسبت به‌سرعت صوت با استفاده از عدد ماخ به دسته‌های گوناگونی تقسیم می‌شوند که هرکدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند. در هوانوردی، این دسته‌بندی‌ها عبارت‌اند از:

• زیر صوت Subsonic : سرعت کمتر از 1 ماخ (M < 1). در این محدوده، جسم با سرعتی کمتر از سرعت صوت حرکت می‌کند و امواج صوتی تولید شده توسط آن آزادانه از جسم جدا شده و در هوا منتشر می‌شوند. اغلب هواپیماهای تجاری و مسافربری در این محدوده سرعت حرکت می‌کنند.
• ترانسونیک Transonic : سرعت نزدیک به(1 ماخ M ≈ 1). در این محدوده، بخشی از جریان هوا در اطراف جسم ممکن است به سرعتی برابر یا حتی بیشتر از سرعت صوت برسد و این مسئله منجر به ایجاد جریان‌های مختلط و افزایش شدید نیروی مقاومتی می‌شود. هواپیماها در این محدوده ممکن است با مشکلاتی مانند لرزش و ناپایداری مواجه شوند.
• فراصوت Supersonic : سرعت بین 1 و 5 ماخ (1 < M < 5). در این محدوده، جسم با سرعتی بیشتر از سرعت صوت حرکت می‌کند و یک موج ضربه‌ای در جلوی آن ایجاد می‌شود. جنگنده‌های فراصوت و برخی موشک‌ها در این محدوده حرکت می‌کنند. در سرعت فراصوتی، مقاومت هوا به دلیل تراکم هوا و ایجاد موج ضربه‌ای به‌شدت افزایش می‌یابد.
• هیپرسونیک Hypersonic : سرعت بیشتر از 5 ماخ (M > 5). در این سرعت‌های بسیار بالا، حرارت و فشار زیادی در اطراف جسم ایجاد می‌شود که طراحی و ساخت هواپیماها و موشک‌های هیپرسونیک را بسیار چالش‌برانگیز می‌کند. در این سرعت‌ها، حرارت شدید می‌تواند به ساختار جسم آسیب برساند و مواد ویژه‌ای برای طراحی بدنه و اجزای آن موردنیاز است.

کاربرد عدد ماخ در صنایع مختلف

عدد ماخ در صنایع مختلفی به کار می‌رود و به‌ویژه در حوزه‌هایی که نیازمند مطالعه رفتار اجسام در سرعت‌های بالا هستند، کاربرد فراوان دارد. برخی از مهم‌ترین کاربردهای عدد ماخ شامل:

• هوانوردی و هوافضا: در طراحی هواپیماها و موشک‌ها، اطلاع از عدد ماخ برای تحلیل و بهینه‌سازی رفتار آن‌ها در سرعت‌های بالا ضروری است. این تحلیل‌ها به کاهش مصرف سوخت، بهبود پایداری و افزایش کارایی کمک می‌کنند.
• صنایع نظامی: در توسعه و طراحی موشک‌ها و تسلیحات با سرعت‌های بالا، عدد ماخ نقش حیاتی دارد. در این صنایع، معمولاً با موشک‌ها و پرتابه‌هایی مواجه هستیم که در سرعت‌های فراصوت و هیپرسونیک حرکت می‌کنند.
• علوم آیرودینامیک: در مطالعه رفتار جریان هوا در اطراف اجسام متحرک، عدد ماخ به‌عنوان یک متغیر اصلی به کار می‌رود. استفاده از این عدد به طراحان و محققان کمک می‌کند تا اثرات مختلف سرعت بالا بر جریان هوا و تولید امواج ضربه‌ای را بهتر درک کنند.
• طراحی خودروهای پرسرعت و وسایل نقلیه خاص: در طراحی برخی از خودروهای بسیار سریع، مانند خودروهای مسابقه‌ای یا وسایل نقلیه مفهومی که با سرعت‌های بالا حرکت می‌کنند، دانش عدد ماخ و تحلیل اثرات جریان هوا بر بدنه آن‌ها مورد توجه قرار می‌گیرد.

پدیده‌های مهم مرتبط با عدد ماخ

وقتی سرعت یک جسم به‌سرعت صوت نزدیک می‌شود یا از آن عبور می‌کند، چندین پدیده فیزیکی مهم اتفاق می‌افتد که اثرات زیادی بر طراحی و عملکرد آن جسم دارد. این پدیده‌ها عبارت‌اند از:

• دیوار صوتی
• موج ضربه‌ای
• اثر تراکم‌پذیری
• اثر گرم‌شدن هوا