Введение
Вы думаете, что скорость звука всегда одинакова? И почему в авиации и ракетостроении говорят не «км/ч», а «Мах 2» или «Мах 5»? Эти вопросы неизбежно возникают, когда речь заходит о сверхзвуковых самолётах и гиперзвуковых ракетах.
Попробуем объяснить всё максимально просто — без перегруженных формул, но с пониманием сути. Как если бы мы объясняли, что такое дом, многоэтажка и небоскрёб: принцип один, но уровень сложности растёт.
Что такое скорость звука
С детства многие помнят формулу:
скорость звука ≈ 340 м/с (1224 км/ч)
Но это значение верно только для воздуха при температуре около +15 °C и нормальном давлении. На самом деле скорость звука не является постоянной величиной.
Почему? Потому что звук — это волна, а скорость её распространения зависит от свойств среды:
- плотности;
- упругости;
- температуры;
- давления;
- агрегатного состояния вещества.
Именно поэтому в разных средах скорость звука сильно отличается:
- воздух — ~340 м/с;
- углекислый газ — ~250 м/с;
- кислород — ~316 м/с;
- вода — ~1500 м/с;
- алмаз — ~12 000 м/с.
Чем плотнее и упругие среда, тем быстрее в ней распространяется звук.
Важно: влажность воздуха влияет на скорость звука крайне слабо (доли процента), поэтому в расчётах ею обычно пренебрегают.
Самая большая скорость звука
В 2020 году учёные из Великобритании и России теоретически рассчитали максимально возможную скорость звука — около 36 000 м/с.
Такое значение может быть достигнуто в экстремальной среде — твёрдом атомарном металлическом водороде при давлении свыше 1 миллиона атмосфер.
Для сравнения:
- алмаз — ~12 км/с;
- металлический водород — ~36 км/с.
Это подчёркивает: скорость звука — не «магическое число», а физическое свойство среды.
Что такое число Маха
Проблема в том, что даже в воздухе скорость звука меняется с высотой. У земли — около 340 м/с, на высоте 11 км — уже ~295 м/с.
Использовать километры в час в аэродинамике неудобно. Поэтому ввели число Маха (М).
Число Маха — это отношение скорости тела к скорости звука в той же среде и в той же точке.
M=V/aM = V / aM=V/a
где:
- V — скорость объекта;
- a — локальная скорость звука.
1 Мах условно принят равным скорости звука в международной стандартной атмосфере (МСА) на уровне моря.
Именно число Маха показывает не «насколько быстро», а насколько быстро относительно звука.
Как скорость звука меняется с высотой
- 0–10 км — скорость звука постепенно уменьшается (до ~299 м/с);
- 11–18 км — почти постоянна (~295 м/с), зона тропопаузы;
- выше 18–20 км — снова начинает снижаться.
Поэтому самолёт, летящий с одной и той же реальной скоростью, на большей высоте будет иметь большее число Маха.
Дозвук, сверхзвук и гиперзвук
В аэродинамике принято выделять несколько режимов полёта:
1. Дозвуковая скорость
До 0,9 Маха
Пример: пассажирский самолёт на высоте 10 км летит со скоростью ~900 км/ч.
2. Трансзвуковая скорость
Около 1 Маха
Самый сложный режим. Возникают локальные ударные волны, резко меняется управляемость самолёта.
3. Сверхзвуковая скорость
От 1,1 до 4,5–5 Махов
Пример:
- Су‑27: до 2,35 Маха;
- МиГ‑31: более 2,8 Маха.
На этих скоростях формируется устойчивая ударная волна.
4. Гиперзвуковая скорость
От 4,5–5 Махов и выше
Гиперзвук — это уже другой мир физики:
- экстремальный нагрев;
- плазмообразование;
- химические реакции в потоке;
- совершенно иные требования к материалам.
Пример:
- ракета «Кинжал» — около 5 Махов;
- «Циркон» — гиперзвуковая крылатая ракета нового поколения.
Почему число Маха так важно
Число М — это качественный параметр, а не просто скорость.
Именно оно показывает:
- когда воздух начинает сжиматься;
- где возникнут ударные волны;
- как изменится подъёмная сила;
- как будут работать воздухозаборники двигателя.
Особенно критична трансзвуковая зона, где самолёт может внезапно потерять устойчивость.
Формула скорости звука
В газах скорость звука определяется формулой:
a = √(k · R · T)
где:
- k — показатель адиабаты (для воздуха ≈ 1,4);
- R — газовая постоянная;
- T — абсолютная температура (в Кельвинах).
Из формулы видно главное:
скорость звука зависит прежде всего от температуры.
В чём суть гиперзвука
Гиперзвук — это не просто «очень быстро». Это режим, где:
- аэродинамика переходит в аэротермодинамику;
- нагрев становится важнее сопротивления;
- классические законы начинают работать иначе.
Поэтому создание гиперзвуковых аппаратов — одна из самых сложных инженерных задач XXI века.
Вместо заключения
Скорость звука — величина изменчивая. А число Маха — универсальный язык, на котором инженеры описывают полёт в любых условиях.
Сверхзвук — это преодоление барьера.
Гиперзвук — это выход за пределы привычной физики.
И именно поэтому вокруг гиперзвуковых технологий сегодня столько внимания, мифов и споров.