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Numero di Mach e comprimibilità

1887
  • Ernst Mach
Jet supersonico che illustra il numero di Mach e la compressibilità in aerodinamica.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Il numero di Mach (M) è una quantità adimensionale che rappresenta il rapporto tra la velocità del flusso oltre un confine e la velocità locale velocità del suono: [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 forze aerodinamiche.

Il numero di Mach è il parametro più importante nell'analisi di flussi comprimibili ad alta velocità. A differenza del flusso a bassa velocità (incomprimibile), in cui la densità dell'aria è considerata costante, ad alte velocità questa ipotesi non è più valida. Il numero di Mach categorizza il flusso in regimi distinti: subsonico (M < 1), transonico (0,8 5). Ogni regime ha caratteristiche fisiche uniche.

Nel regime subsonico, l'aria si comporta in modo molto simile a un fluido incomprimibile e le perturbazioni di pressione si propagano dall'aereo in tutte le direzioni. Quando un aereo si avvicina a Mach 1 (il regime transonico), l'aria davanti a esso ha meno "avvertimento" del suo avvicinamento. Il flusso d'aria inizia a raggiungere la velocità del suono in alcune aree, come la parte superiore curva dell'ala, anche se l'aereo stesso è subsonico. Questo crea onde d'urto localizzate, che sono brusche discontinuità di pressione, densità e temperatura. Queste onde d'urto possono causare un aumento drastico della resistenza aerodinamica (resistenza d'onda) e una perdita di portanza, un fenomeno noto come barriera del suono.

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 velocità del suono.

UNESCO Nomenclature: 2210
- Meccanica

Tipo

Sistema astratto

Interruzione

Fondamento

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • Studi sulla velocità del suono condotti da vari scienziati, tra cui Pierre Gassendi e Isaac Newton
  • Effetto Doppler, che descrive i cambiamenti nella frequenza delle onde con il movimento
  • Primi studi balistici sui proiettili che si muovono più velocemente del suono

Applicazioni

  • progettazione di aerei supersonici e ipersonici come jet e razzi
  • comprendere i boom sonici
  • progettazione di pale di turbine ad alta velocità nei motori a reazione
  • balistica e progettazione dei proiettili
  • ugelli per motori a razzo (ugello de laval)

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

  • quiet supersonic aircraft that shape the shockwaves to produce a soft ‘thump’ instead of a loud boom
  • motori scramjet che sfruttano l'onda d'urto del volo ipersonico per comprimere l'aria per la combustione
  • materiali adattivi per rivestimenti di aeromobili in grado di resistere e dissipare il calore estremo derivante dall'attrito ipersonico
  • droni transonici con ali a geometria variabile per ottimizzare le prestazioni a velocità subsoniche e supersoniche
  • terapie mediche che utilizzano onde d'urto focalizzate (litotripsia) con maggiore precisione
  • tubi di trasporto ipersonici per la consegna di pacchi quasi istantanea tra le città
  • veicoli waverider che utilizzano la propria onda d'urto per generare portanza
  • sistemi di intelligenza artificiale per prevedere e mitigare le interazioni instabili tra onde d'urto e strato limite in tempo reale
Argomenti correlati: numero di Mach, compressibilità, supersonico, transonico, ipersonico, onda d'urto, barriera del suono, resistenza d'onda.

Contesto storico

Numero di Mach e comprimibilità

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

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

decimo anno anniversario

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