Mach Number
A medida que un avión se mueve por el aire, las moléculas de aire cercanas al avión se perturban y se mueven alrededor del avión. Si la aeronave pasa a baja velocidad, generalmente menos de 250 mph, la densidad del aire permanece constante. Pero para velocidades más altas, parte de la energía de la aeronave se dedica a comprimir el aire y cambiar localmente la densidad del aire. Este efecto de compresibilidad altera la cantidad de fuerza resultante sobre la aeronave. El efecto se vuelve más importante a medida que aumenta la velocidad. Cerca y más allá de la velocidad del sonido , alrededor de 330 m/s o 760 mph, pequeñas perturbaciones en el flujo se transmiten a otros lugares de forma isentrópica o con entropía constante. Pero una fuerte perturbación genera una onda de choque.que afecta tanto a la sustentación como a la resistencia aerodinámica de una aeronave.
La relación entre la velocidad del avión y la velocidad del sonido en el gas determina la magnitud de muchos de los efectos de compresibilidad. Debido a la importancia de esta relación de velocidad, los aerodinámicos la han designado con un parámetro especial llamado número de Mach en honor a Ernst Mach , un físico de finales del siglo XIX que estudió la dinámica de gases. El número de Mach M nos permite definir regímenes de vuelo en los que varían los efectos de compresibilidad.
Las condiciones subsónicas ocurren para números de Mach menores que uno, M < 1 . Para las condiciones subsónicas más bajas, se puede ignorar la compresibilidad.
A medida que la velocidad del objeto se acerca a la velocidad del sonido, el número de Mach de vuelo es casi igual a uno, M = 1 , y se dice que el flujo es transónico . En algunos lugares del objeto, la velocidad local supera la velocidad del sonido. Los efectos de compresibilidad son más importantes en los flujos transónicos y conducen a la creencia temprana en una barrera del sonido . Se pensaba que volar más rápido que el sonido era imposible. De hecho, la barrera del sonido fue solo un aumento en la resistencia cerca de las condiciones sónicas debido a los efectos de compresibilidad. Debido a la alta resistencia asociada con los efectos de compresibilidad, los aviones no vuelan cerca de Mach 1.
Las condiciones supersónicas ocurren para números de Mach mayores que uno, 1 < M < 3 . Los efectos de compresibilidad son importantes para los aviones supersónicos, y la superficie del objeto genera ondas de choque. Para altas velocidades supersónicas , 3 < M < 5 , el calentamiento aerodinámico también se vuelve muy importante para el diseño de aeronaves.
Para velocidades superiores a cinco veces la velocidad del sonido, M > 5 , se dice que el flujo es hipersónico . A estas velocidades, parte de la energía del objeto ahora se dedica a excitar los enlaces químicos que mantienen unidas las moléculas de nitrógeno y oxígeno del aire. A velocidades hipersónicas, se debe tener en cuenta la química del aire al determinar las fuerzas sobre el objeto. El transbordador espacial vuelve a entrar en la atmósfera a altas velocidades hipersónicas , M ~ 25 . En estas condiciones, el aire calentado se convierte en un plasma de gas ionizado y la nave espacial debe estar aislada de las altas temperaturas.
Para flujos supersónicos e hipersónicos, las pequeñas perturbaciones se transmiten aguas abajo dentro de un cono. El seno trigonométrico del ángulo del cono b es igual al inverso del número de Mach M y, por lo tanto, el ángulo se llama ángulo de Mach .
sen(b) = 1 / M
No hay influencia aguas arriba en un flujo supersónico ; las perturbaciones solo se transmiten aguas abajo.
El número de Mach aparece como un parámetro de similitud en muchas de las ecuaciones para flujos compresibles , ondas de choque y expansiones . Cuando realice pruebas en túnel de viento, debe hacer coincidir estrechamente el número de Mach entre el experimento y las condiciones de vuelo. Es completamente incorrecto medir un coeficiente de arrastre a una velocidad baja (digamos 200 mph) y aplicar ese coeficiente de arrastre al doble de la velocidad del sonido (aproximadamente 1400 mph, Mach = 2.0). La compresibilidad del aire altera la física importante entre estos dos casos.
El número de Mach depende de la velocidad del sonido en el gas y la velocidad del sonido depende del tipo de gas y la temperatura del gas. La velocidad del sonido varía de un planeta a otro. En la Tierra, la atmósfera está compuesta principalmente de nitrógeno y oxígeno diatómicos, y la temperatura depende de la altitud de una manera bastante compleja. Científicos e ingenieros han creado un modelo matemático de la atmósfera para ayudarlos a explicar los efectos cambiantes de la temperatura con la altitud. Marte también tiene una atmósfera compuesta principalmente de dióxido de carbono. Existe un modelo matemático similar de la atmósfera marciana. Hemos creado una calculadora atmosférica para que puedas estudiar la variación de la velocidad del sonido con el planeta y la altitud.
Aquí hay otro programa de JavaScript para calcular la velocidad del sonido y el número de Mach para diferentes planetas, altitudes y velocidades. Puede usar esta calculadora para determinar el número de Mach de un avión a una velocidad y altitud dadas en la Tierra o Marte.
