「馬赫」是什麼意思?15馬赫飛一小時,等于飛了多少公里?

1971年以後,國際單位制確定了 七個物理基本量所組成的物理量體系。以人類目前的認知來看, 幾乎所有物理問題都可以利用這七個基本物理量通過不同的方程式轉換求出答案。然而在實際生活之中,如果所有問題都以基本物理量進行描述,其實是 十分麻煩的一件事情。

以速度為例,速度最簡單地理解為均勻直線運動過程中,單位時間內所經過的路程,一般有米/秒,千米/小時等等。可假如 在某一個運動參考系之中,極短時間內通過的路程極大,這個時候再用米/秒或者千米/小時來形容就完全不合適了。正因如此,科學家們在基本的速度形容上面就引入了音速,光速等特定的速度參考值。

馬赫的由來

很多人都聽說過 馬赫這個詞,可有關馬赫這個詞是什麼意思卻不太明白。比如電影中常說的一馬赫指的是每秒行進多少米,十五馬赫飛一小時又是多少公里?大家都沒什麼概念。

事實上, 馬赫雖然是表示物體運動速度的一個物理量,但主要是體現在相對數值上面。而所謂的相對數值,指的則是 物體的運動速度除以聲速最終得到的數值。為了方便理解,很多人便將 一馬赫看作是聲速,也就是 每秒340米的速度。按照這個邏輯來看, 十五馬赫飛行一小時,也就相當于速度達到了每小時18360公里。

可我們要知道的是, 聲速並不是恒定不變的。在固體,液體以及氣體等 不同介質的影響下 我們求得的 聲速也不一樣,所以 馬赫數值自然也不會一樣。當然, 馬赫數等于一的時候,即表示一倍音速,這個是可以確定的。

人們之所以會創造這樣一個特殊的速度形容詞,主要就在于兩個方面。一方面是為了 更方便計算現實生活中所遇到的速度難題。比如在飛機和航天器的運動過程中,如果我們繼續用米/秒,千米/小時這樣的基本量來進行計算,實驗資料就會變得 無比複雜出現誤差的可能性也就會越大

而另外一方面則是為了紀念奧地利物理學家恩斯特·馬赫,和 電流的首個使用者,法國物理學家安培一樣,恩斯特·馬赫作為歷史上 第一個引用這個單位物理量的科學家,自然能夠享受同樣的待遇。從此以後,人們在遇到大速度問題的時候,馬赫便經常被人提起。如果不算光速這樣的計算單位,那麼馬赫應該是人類目前在 速度領域中提出的 最大向量

當然,未來究竟會不會有其他更加細緻地劃分,我們現如今暫時還無法知曉。只不過就目前為止, 馬赫的出現確實給人類帶來了很多便利,我們在計算大速度運動的時候,也不再會因為數值的波動而苦惱,更不會為大資料的驗算而發愁。

物理學家恩斯特·馬赫

提到物理學家恩斯特·馬赫,很多人其實都不太瞭解,可事實上,他為物理學所做出的貢獻絕對不容小覷。以愛因斯坦的 廣義相對論為例,這是對經典力學發起的一次巨大衝擊,也是 二十世紀物理學界最偉大的發現之一。它首次將許多科學家們原有的 基本物理觀念革新,讓人類對世界有了一個 全新的認知。但並沒有多少人知道,廣義相對論的雛形,其實就 受到了馬赫思想的影響

在馬赫看來, 整個世界上的所有物質都是由一種中性的「要素」演化而來,我們所看到的,所想象到的一切事物,也基本上都是 這種要素的複合體。「要素」存在于虛無,又從虛無影響整個世界。別說是那個時代的人,即便是放到現在,這種思維都是十分超前的。

不僅如此,馬赫甚至想到 用函數關係來尋找「要素」和現實之間的具體聯繫。如果真的找到了這個函數關係式,那麼我們現如今所收穫的一切知識都只不過是表像,只不過是要素關係的延伸。

其實許多物理學家在第一次看到這種理解的時候,都會認為馬赫的想法完全是異想天開。這種理論就像是「日心說」對「地心說」的衝擊,讓許多人大為震驚。 假如我們生活中所有的一切都屬于「假設」范疇內的東西,那麼我們存在的證明又是什麼?好在愛因斯坦為馬赫用一種相對比較柔和的方式做出了解答,也就是 相對論的提出。

愛因斯坦 用科學的方法去解釋哲學的問題,其根本理念和馬赫是相同的。在愛因斯坦之前,馬赫製造出許多讓人難以理解的複雜資料,以此來 證明科學定律和現實的聯繫其實更像是和人類思維的聯繫。可由于這些資料都實在是太難以理解,所以不少人甚至將馬赫看作是神棍。

事實上,相比于馬赫的猜想,他一生的主要研究重心還是在 實驗物理學上面,馬赫數便是他提出了超聲學原理之後創造出來的一種相對數值。儘管在剛開始的時候並沒有多少人能夠理解這個全新的物理量,但隨著時間的推移以及人類對世界更加全面的認識,馬赫數如今已經成為了 流體力學中的一個常用概念,基本單位以M表示。

馬赫的運用要求

既然屬于基本物理量的范疇,那麼在使用馬赫解決物理問題的時候,自然就會有一定的條件限制。當我們在以馬赫為基本單位去解決問題的時候,就必須要同時給出 高度和大氣條件。如果以上兩點都不能滿足,那麼我們用一馬赫(即340米/秒)的速度測算出來的結果,必然會和實際結果存在較大的誤差。

要知道音速在除了在不同介質中的傳播速度不同之外, 在同一介質的不同狀態下,傳遞速度也會不一樣高度,溫度以及密度等等,都會在一定程度上 對速度的數值產生影響

因為這個特性的存在,所以我們 即便在同一個地區的不同高度,最終得出來的馬赫數也都不一樣。一般情況下,高空空氣稀薄,空氣阻力下,馬赫數就會更高一些;而低空空氣含量豐富,阻力較大,馬赫數自然也就會低一些。

事實上不止是對馬赫數的運用要求,其他許多類似的基本物理量在使用的時候,也會有一定的要求。這就很像我們在答題的時候,題目都會儘量的將變數完全鎖定,這樣才會方便我們進行作答。而 我們在現實生活中對這些數值的考究,也就是為了讓實際資料更加趨近理想化,極大程度上削弱變數的影響力。只有這樣,我們在研究這種實際問題的時候,才有可能無限接近理論數值。

當然,有關于馬赫的運用要求只需要稍作瞭解就行,大可不必執著于此。畢竟馬赫數常用在各類飛行器上面,與我們的日常生活有一定的距離。 科學家們對于這種數值的測量極其嚴格,也主要是盡可能地避免誤差影響到最終的結果

運用范圍

和影視作品中的運用范圍一樣,馬赫在現實生活中也會用來形容高速飛行器。我們經常聽到的超音速飛機與亞音速飛機等等,就都是以馬赫為單位。例如美國最著名的 F-22戰鬥機,人們就經常會以 2.25馬赫來形容它的速度。如果換算為米/秒來形容,那大概就是765米每秒。僅僅從這一點上就可以看出來,F-22戰鬥機的性能究竟有多麼強悍。

除去戰鬥機之外, 航太飛行器也常常會用到馬赫這個單位。以我們國家長征五號運載火箭為例,在 「胖5「將衛星送入軌道的時候,它的速度就已經達到了 33到34馬赫之間,也就是11570米/秒。在這個速度下,別說是美國的F-22戰鬥機,就連彈道飛彈的俯衝速度都只能達到十幾馬赫,這顯然是無法追上運載火箭的速度的。

當然,除去這些尖端科技產品之外, 其他軍事武器的運動速度都很難被馬赫進行概括。例如RPG-7火箭筒的速度到達了0.8馬赫,可人們最習慣的還是將它的速度描述為300米/秒。

馬赫的影響

事實上,科學家們在瞭解了馬赫之後,對其他物理變化量也有了新的推測。以 加速度為例,不斷變化的加速度或許在未來的研究中就會運用到類似馬赫的猜想。當一個速度在運動過程中, 加速度不斷變化加快,且 變化的曲線越來越大時,我們就 有必要引入一個新的物理量來進行描述

除此以外,隨著人類科技的不斷發展和人類認知的進步, 像這樣的特殊物理量必然會越來越貼近生活,我們普通人也自然需要有一定的瞭解才行。倘若未來的某一段時間裡面,當人們在交流形容基本物理量變化的時候,我們完全不知道交流的含義是什麼,那豈不是貽笑大方。

可能很多人都認為這樣的事情距離我們太過遙遠,但以現如今的科技發展速度來看,誰又能說得准呢? 現代物理世界觀和古代物理世界觀有著根本性的區別,發展時間卻不過 百年,當人類對世界的平均認知都開始提升的時候, 自然不能「獨自無知」

在科學史上,不少提出全新觀念的人,都曾受到過前人的質疑。可他們在同代人眼中的異想天開,卻成為了後世最寶貴的財富。一馬赫的速度含義只不過是一個 微小的物理縮影,而當這樣的縮影越來越多的時候,我們自然就能感受到世界越來越多的精彩。

結語

早在十九世紀末期,一部分物理學家就以曾將經典物理學看作是物理發展的盡頭。在他們看來,未來的物理發展只剩下修修補補的工作了。可事實上, 人類現如今所瞭解到的物理與真實世界的物理盡頭絕對還有遙不可及的距離,我們怎敢妄下斷言?

不僅如此,類似于馬赫一樣的物理量究竟還有多少,誰又能夠做出回答呢?要知道現如今人類對物理的研究探索早已不止局限于經典物理學, 在高能物理以及量子力學的研究過程中,類似的相對量值必然會浮出水面。未來的科學探索之路,道阻且長。


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