Tại sao máy bay sử dụng đơn vị Mach thay vì km/h để mô tả tốc độ?

Không giống như km hay dặm, Mach được đo bằng tốc độ âm thanh. Vậy tại sao máy bay lại chọn Mach thay vì km thông thường?

Định nghĩa và nguồn gốc của tốc độ Mach: Đơn vị tốc độ âm thanh

Tốc độ Mach là đơn vị dùng để đo tốc độ của một vật thể, được định nghĩa là giá trị không thứ nguyên thu được bằng cách so sánh tốc độ của vật thể với tốc độ âm thanh trong môi trường. Nguồn gốc của tốc độ Mach có thể bắt nguồn từ nhà khoa học người Áo Ernst Mach.

Vào cuối thế kỷ 19, Ernst Mach bắt đầu quan tâm nhiều đến việc nghiên cứu hành vi của âm thanh. Khi đó, người ta cho rằng âm thanh là sự truyền tải của 'sóng âm', và tốc độ của các vật thể chuyển động trong không khí đã thu hút sự chú ý của Ernst Mach. Ông quan sát thấy trong các thí nghiệm của mình rằng khi một vật chuyển động nhanh hơn tốc độ âm thanh trong môi trường, một hiệu ứng đặc biệt - 'hình nón Mach' - sẽ xuất hiện.

Cái gọi là 'hình nón Mach' là một hiện tượng giống như đám mây hình nón, khi vật chuyển động càng nhanh thì hình nón Mach càng lộ rõ. Khi quan sát hiện tượng này, Ernst Mach đã đi đến một kết luận quan trọng, đó là khi tốc độ của một vật thể đạt đến tốc độ âm thanh thì các sóng áp suất mà nó gây ra sẽ không còn khả năng tiếp tục truyền đi mà sẽ chồng chất lên nhau để tạo thành hình nón Mach.

Dựa trên phát hiện này, Ernst Mach đề xuất một lý thuyết mới rằng khi một vật chuyển động, nó không chỉ tạo ra âm thanh mà còn gây ra sự thay đổi áp suất. Ông tiếp tục kiểm chứng lý thuyết này bằng thực nghiệm và đề xuất phương pháp tính tốc độ của vật thể - Ernst Mach chia tốc độ của vật thể cho tốc độ âm thanh trong môi trường và thu được giá trị số Mach.

Sự xuất hiện của tốc độ Mach có ý nghĩa quan trọng. Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, số Mach là đơn vị phổ biến để đo tốc độ của máy bay. Trong không khí ở điều kiện bình thường, các tốc độ lớn hơn hoặc bằng Mach 1 (343 m/s hoặc 1235 km/h với không khí ở mực nước biển, nhiệt độ 20 độ C) được coi là siêu thanh. Tốc độ vượt quá Mach 5 được gọi là cực siêu thanh.

Sự khác biệt giữa tốc độ âm thanh và tốc độ Mach là tốc độ âm thanh là tốc độ truyền sóng âm trong môi trường, trong khi tốc độ Mach đo tốc độ của vật chuyển động so với môi trường. Sự xuất hiện của tốc độ Mach không chỉ có ý nghĩa lớn trong ngành hàng không vũ trụ mà còn ảnh hưởng đến nghiên cứu trong các lĩnh vực khác. Ví dụ, trong lĩnh vực vật lý và kỹ thuật, tốc độ Mach được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu các vấn đề như bay tốc độ cao, khí động học và các vụ nổ.

Tại sao máy bay sử dụng Mach để mô tả tốc độ?

Mật độ không khí đề cập đến khối lượng của không khí chứa trong một đơn vị không gian trong điều kiện cụ thể. Nó bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như nhiệt độ, áp suất và độ ẩm. Khi độ cao tăng lên, mật độ không khí giảm dần, giống như việc hít thở trở nên khó khăn ở độ cao lớn. Trong quá trình bay, sự thay đổi về mật độ không khí sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất bay và tính chất bay của máy bay.

Trong định nghĩa về số Mach, tốc độ âm thanh là một giá trị tham chiếu quan trọng. Trong không khí, tốc độ truyền âm phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất khí, đặc biệt là mật độ của chất khí. Khi tốc độ của máy bay đạt hoặc vượt quá tốc độ âm thanh, lực nén của không khí trở nên đáng kể và mật độ không khí thay đổi do chuyển động nhanh của máy bay. Điều này có nghĩa là máy bay tốc độ cao phải đối mặt với hàng loạt vấn đề và thách thức vật lý đặc biệt trong không khí nén.

Thiết kế và hiệu suất của máy bay cần phải tính đến những thách thức này. Ví dụ, các đặc tính về khí động học sẽ thay đổi đáng kể khi số Mach tăng lên.

Ngành khí nén là lĩnh vực nghiên cứu về chuyển động của vật thể trong chất khí, bao gồm các lực không khí, lực cản, lực nâng và các yếu tố khác. Khi máy bay di chuyển ở tốc độ siêu âm, tác động của khí động học tăng lên và sự biến đổi về áp suất cũng như nhiệt độ trong không khí trở nên đáng kể hơn. Vì vậy, việc hiểu và xem xét số Mach là quan trọng trong thiết kế và vận hành máy bay tốc độ cao.

Thay đổi về mật độ không khí cũng ảnh hưởng đến hệ thống đẩy của máy bay và hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu của nó. Khi độ cao tăng và mật độ không khí giảm, hiệu suất động cơ có thể giảm, yêu cầu lực đẩy tăng để duy trì chuyến bay. Điều này ảnh hưởng quan trọng đến tiêu thụ nhiên liệu của máy bay và phạm vi bay.

Sự phát triển của máy bay siêu thanh đã mang lại nhiều công nghệ và ứng dụng đột phá. Ví dụ, nghiên cứu về phương tiện siêu thanh có ý nghĩa lớn trong lĩnh vực quân sự, hàng không vũ trụ và các lĩnh vực khác. Máy bay siêu thanh có tốc độ cao hơn và có thể đến đích nhanh hơn, giảm thời gian di chuyển. Ngoài ra, máy bay siêu thanh cũng có khả năng tránh được sự phản công của hệ thống phòng thủ mặt đất, làm tăng tính không dự đoán được trong mặt trận chiến lược.

Tuy nhiên, chuyến bay siêu thanh vẫn phải đối mặt với nhiều thách thức và hạn chế trong thực tế. Đầu tiên, sóng xung kích từ chuyến bay siêu thanh có thể gây hư hại và gây nhiễu cho máy bay và môi trường xung quanh. Ngoài ra, máy bay siêu thanh sẽ phải đối mặt với vấn đề tăng cường lực cản khi vượt qua bầu khí quyển và cần tiêu tốn nhiều năng lượng hơn để duy trì chuyến bay. Đây là lý do tại sao việc sử dụng chuyến bay siêu thanh trong hàng không thương mại vẫn còn hiếm.