Что означает «Скорость звука»
Скорость распространения малых возмущений давления в воздухе, зависящая от его температуры.
- На уровне моря (ISA)
- 340,3 м/с, 1 225 км/ч
- На 11 км и выше
- 295 м/с, 1 062 км/ч
- Зависит от
- температуры
- Не зависит от
- давления и высоты напрямую
Физика явления
Звук — это волна малых сжатий и разрежений. Скорость её распространения в идеальном газе определяется температурой, а не давлением или плотностью по отдельности: чем теплее воздух, тем быстрее звук. Поэтому в стандартной атмосфере скорость звука убывает по мере подъёма до 11 километров вместе с температурой, а выше, где температура принимается постоянной, остаётся неизменной.
- a
- скорость звука, м/с
- γ
- показатель адиабаты воздуха, 1,4
- R
- удельная газовая постоянная воздуха, 287 Дж/(кг·К)
- T
- абсолютная температура, К
Приближённо a ≈ 20,05·√T. При T = 288,15 К получается 340,3 м/с.
Значения для разных условий
В жаркий день у земли скорость звука заметно выше, а в стратосфере ниже. Это важно, потому что число Маха — отношение скорости самолёта к скорости звука в местных условиях. Самолёт, летящий с одной и той же скоростью относительно воздуха, на высоте в морозную ночь окажется ближе к звуковому барьеру, чем над тёплой землёй.
| Высота, м | Температура, °C | Скорость, м/с | Скорость, км/ч |
|---|---|---|---|
| 0 | 15 | 340 | 1 225 |
| 3 000 | −4,5 | 328 | 1 181 |
| 6 000 | −24 | 316 | 1 138 |
| 11 000 и выше | −56,5 | 295 | 1 062 |
Почему скорость звука важна пилотам
Многие ограничения самолёта заданы не скоростью, а числом Маха: крейсерский режим лайнера определён значением около М 0,78–0,85, ограничения конструкции — предельным числом Маха. На переходной высоте в приборах переключаются с указания приборной скорости на число Маха, потому что у границы волнового кризиса именно оно определяет поведение самолёта.
В воде звук распространяется примерно в 4,5 раза быстрее, чем в воздухе, а в стали — более чем в 15 раз. Поэтому «звуковой барьер» относится только к воздуху вокруг самолёта.
Измерение и история
Первые достаточно точные измерения скорости звука в воздухе выполнили в 1738 году члены Парижской академии наук с помощью артиллерийских выстрелов на расстоянии. Результат оказался близок к современному значению. Теоретическую формулу получил Лаплас, внеся поправку на адиабатический характер сжатий.
В расчётах самолётов учитывают не только температуру, но и влажность: влажный воздух немного легче сухого, и скорость звука в нём чуть выше, хотя для лётных расчётов этой поправкой пренебрегают. Для практики достаточно знать, что на каждые 10 градусов понижения температуры скорость звука уменьшается примерно на 6 м/с, то есть на 2 процента.