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Número de Mach y compresibilidad

1887
  • Ernst Mach
Chorro supersónico que ilustra el número de Mach y la compresibilidad en aerodinámica.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

El número de Mach (M) es una magnitud adimensional que representa la relación entre la velocidad del flujo más allá de un límite y la velocidad local. velocidad del sonido: [latex]M = v/a[/latex], where v is the flow velocity and a is the speed of sound. It is the primary indicator of compressibility effects. As Mach number approaches and exceeds 1, the density of the air changes significantly, altering fuerzas aerodinámicas.

El número de Mach es el parámetro más importante al analizar flujos compresibles de alta velocidad. A diferencia del flujo de baja velocidad (incompresible), donde se asume una densidad del aire constante, a altas velocidades esta suposición se desmiente. El número de Mach clasifica el flujo en distintos regímenes: subsónico (M < 1), transónico (0,8 5). Cada régimen tiene características físicas únicas.

En el régimen subsónico, el aire se comporta como un fluido incompresible, y las perturbaciones de presión se propagan desde la aeronave en todas direcciones. A medida que la aeronave se aproxima a Mach 1 (el régimen transónico), el aire que se encuentra delante tiene menos "aviso" de su aproximación. El flujo de aire comienza a alcanzar la velocidad del sonido en algunas zonas, como la parte superior curvada del ala, incluso si la aeronave en sí es subsónica. Esto crea ondas de choque localizadas, que son discontinuidades abruptas en la presión, la densidad y la temperatura. Estas ondas de choque pueden causar un aumento drástico de la resistencia aerodinámica (resistencia de onda) y una pérdida de sustentación, un fenómeno conocido como la barrera del sonido.

Once an aircraft exceeds Mach 1 (supersonic flight), it outruns its own pressure waves. These waves coalesce to form a powerful shock wave, typically a cone-shaped one at the nose and tail, which is heard on the ground as a sonic boom. In supersonic and hypersonic flight, the physics is dominated by these shock waves. Aerodynamic design shifts from smooth, rounded shapes to sharp leading edges to manage the intense heating and forces associated with strong shocks. The study of compressibility is therefore essential for any vehicle designed to travel near or faster than the velocidad del sonido.

UNESCO Nomenclature: 2210
- Mecánica

Tipo

Sistema abstracto

Ruptura

Fundacional

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Estudios sobre la velocidad del sonido realizados por varios científicos, entre ellos Pierre Gassendi e Isaac Newton
  • Efecto Doppler, que describe los cambios en la frecuencia de las ondas con el movimiento.
  • Los primeros estudios balísticos sobre proyectiles que se mueven más rápido que el sonido

Aplicaciones

  • Diseño de aviones supersónicos e hipersónicos como jets y cohetes
  • Comprender las explosiones sónicas
  • Diseño de álabes de turbinas de alta velocidad en motores a reacción
  • balística y diseño de proyectiles
  • boquillas para motores de cohetes (boquilla de laval)

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

  • quiet supersonic aircraft that shape the shockwaves to produce a soft ‘thump’ instead of a loud boom
  • Motores estatorreactores que utilizan la onda de choque del vuelo hipersónico para comprimir el aire para la combustión.
  • Materiales adaptables para revestimientos de aeronaves que pueden soportar y disipar el calor extremo de la fricción hipersónica.
  • Drones transónicos con alas de barrido variable para optimizar el rendimiento en velocidades subsónicas y supersónicas
  • Terapias médicas que utilizan ondas de choque focalizadas (litotricia) con mayor precisión
  • Tubos de transporte hipersónicos para la entrega casi instantánea de paquetes entre ciudades
  • Vehículos waverider que utilizan su propia onda de choque para generar sustentación
  • Sistemas de inteligencia artificial para predecir y mitigar interacciones inestables entre ondas de choque y capas límite en tiempo real
Relacionado con: número de Mach, compresibilidad, supersónico, transónico, hipersónico, onda de choque, barrera del sonido, resistencia de onda.

Contexto histórico

Número de Mach y compresibilidad

1882-01-01
1883
1884
1887
1888
1889
1890
1880
1882-01-01
1884
1885
1887
1889
1890
1890

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

décimo año aniversario

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