Número Mach

El número de Mach (Ma) es un número adimensional definido como la relación entre la velocidad de un objeto en movimiento en un fluido y la velocidad del sonido en el fluido bajo consideración. El nombre proviene de los estudios del físico y filósofo austriaco Ernst Mach.

Se define como: donde:

Su uso es de fundamental importancia en la dinámica de fluidos y en particular en todas las aplicaciones aeronáuticas, donde también se considera como una medida de la velocidad macroscópica. En Dinámica de fluidos y aerodinámica se utiliza para definir el tipo de movimiento alrededor de objetos de alta velocidad (aviones, cohetes), así como en el caso de flujos internos dentro de toberas, difusores o túneles de viento.

Permite establecer la importancia de los efectos de compresibilidad del fluido considerado. Cuando de hecho el valor del número de Mach se reduce por debajo del valor 0, 3 se comete un error insignificante considerando el valor de la densidad constante. En física, el número Mach define la relación entre una velocidad macroscópica y la velocidad de propagación de las ondas longitudinales en el medio en cuestión. En aviación, por ejemplo, Mach = 1 (en la jerga aeronáutica simplemente Mach 1) significa viajar a una velocidad igual a la del sonido, Mach = 2 (Mach 2) al doble de la velocidad del sonido, y así sucesivamente. A nivel del mar en condiciones atmosféricas estándar (correspondientes a una temperatura de 15 grados Celsius), la velocidad del sonido es de 331.6 M/s (1. 193, 76km / h, o 644, 58 nudos, o 1116ft / s). La velocidad representada por Mach 1 no es una constante; por ejemplo, depende principalmente de la temperatura. Debido a que la velocidad del sonido aumenta a medida que aumenta la temperatura ambiente, la velocidad efectiva de un objeto que viaja a Mach 1 depende de la temperatura del fluido a través del cual pasa el objeto. El número de Mach es útil porque el fluido se comporta de manera similar a un número de Mach dado, independientemente de otras variables. Por lo tanto, un avión que viaja a Mach 1 a 20°C a nivel del mar experimentará las mismas ondas de choque que un avión que viaja a Mach 1 a 11. 000m a-50 ° C, Aunque el segundo avión solo viaja a 86% de la velocidad del primero. El movimiento alrededor de los cuerpos se puede clasificar en seis condiciones diferentes a las que corresponden diferentes comportamientos fluido-dinámicos, dependiendo del número de Mach local: en el régimen transónico, el campo de movimiento incluye partes subsónicas y supersónicas. A medida que aumenta la velocidad macroscópica, el régimen transónico comienza cuando aparece la primera zona supersónica. En el caso de un perfil de ala, esto generalmente sucede en la parte posterior del ala. El flujo supersónico solo puede desacelerarse con una onda de choque normal antes del borde de salida del ala. A medida que la velocidad asintótica aumenta (es decir, lejos del cuerpo), la zona supersónica se extiende hacia el borde de salida y el borde de ataque del ala. Cuando la velocidad de la macroscópica excede la condición de Ma = 1 (pared de sonido), la onda de choque normal alcanza el borde de fuga, mientras que en frente del objeto crea otra onda de choque normal de modo que el único área en la mayor parte del campo de flujo es un área pequeña entre esta onda y el borde de ataque del ala. Cuando una aeronave excede el valor de Ma = 1, una onda de choque surge frente al objeto, representable como una superficie de discontinuidad para todas las propiedades del fluido. Esta superficie envuelve el cuerpo en una especie de "cono" (llamado cono Mach), cuyo ángulo de apertura depende esencialmente de la velocidad del avión, disminuyendo a medida que crece. Esta onda puede producir el boom sónico característico, audible incluso a grandes distancias. (Incluso el látigo es capaz de generar un boom sónico, incluso si por un corto período de tiempo). Cuando el flujo es supersónico completamente desarrollado, la forma del cono de Mach es más fácilmente reconocible, y el flujo es completamente supersónico, o (en el caso de "tozzi" , como una reentrada de cápsula en la atmósfera) permanece solo una pequeña parte subsónica entre la onda de choque y la parte frontal del objeto. A medida que el número de Mach aumenta aún más, la inclinación de la onda de choque se vuelve más y más estrecha y, como resultado, el cono de Mach se vuelve más y más estrecho. A medida que el fluido pasa a través de la onda de choque, las velocidades macroscópicas disminuyen mientras que la temperatura, la densidad y la presión aumentan bruscamente. En el caso del régimen hipersónico esta variación abrupta de estas cantidades puede conducir a fenómenos de ionización y disociación de moléculas de gas, con también alcanzar altas temperaturas en el cuerpo causadas por el calentamiento aerodinámico, que por lo tanto requiere materiales resistentes a las altas temperaturas. Cuando en un conducto el flujo excede el valor de Ma = 1, el comportamiento del fluido cambia radicalmente. En el régimen subsónico, un estrechamiento de la vena fluida corresponde a un aumento de las velocidades macroscópicas. En modo supersónico, sin embargo, sucede exactamente lo contrario, y un estrechamiento de la sección del conducto corresponde a una disminución de la velocidad macroscópica. La consecuencia de esto es que para acelerar un fluido a supersónico debe ser una boquilla convergente - divergente (dicha boquilla de Laval), en la que el convergente acelera el fluido hasta que la condición es sónica, y el divergente no continuar la aceleración en el campo de supersónico. Como se ha dicho, el MACH en aeronáutica se utiliza como unidad de medida de la velocidad macroscópica. La definición se da teniendo en cuenta el número de Mach obtenido calculando la relación entre la velocidad del avión y la velocidad del sonido del aire una vez fijada la altitud de vuelo. Superar la velocidad del sonido se convirtió en un gran desafío cuando los motores de los aviones se volvieron lo suficientemente potentes. Entre 1930 y 1940, el intento de superar esta velocidad llevó al ajuste del rendimiento de los motores y la forma aerodinámica de los aviones. Los aviones comerciales normalmente viajan por debajo de Mach 1, mientras que la mayoría de los aviones militares pueden superarlo y, a veces, alcanzar Mach 2 o 3. Los únicos aviones que volaron en modo supersónico fueron el Concorde franco - británico y el Tupolev Tu-144 soviético. Se lograron velocidades macroscópicas de hasta Mach 10 mediante aparatos experimentales o lanzadores espaciales y transbordadores espaciales. El primer hombre en exceder continuamente la velocidad del Mach 1 (The wall of sound) fue Chuck Yeager a bordo del Bell X-1 el 14 de octubre de 1947.

Unidad de velocidad

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