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1 # 軍武資料庫
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2 # 狼159910324
你的提問是錯誤的。不是物體超越音速會產生音障,而是運動的物體在跨越音速時遇到較大的阻力,被稱之為音障。運動的物體,它的速度小於或大於音速都不會遇到音障。相同的物體在水中運動遇到的阻力幾十倍在空氣中遇到的阻力,目前沒有任何物體在水中的運動速度超過聲音空氣中傳播的速度,也不能超過聲音在水中傳播的速度。
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3 # 唐修桐
這個問題,我從側面回答一下:水會消失!
通俗來說,物體速度超過音速,即會產生音障,就是說你的移動速度比你發出的聲音還要快。(下面是突破音障的實際照片)。
也可以把這個能量換算成聲強,約133分貝。
市場上唯一的超音速協和客機,也因為這個破壞力和居高不下的運營成本,在2003年退出市場。
物體執行速度接近音速時,會有一股強大的阻力,使物體產生強烈的振盪,速度衰減。這一現象被俗稱為音障(Sound Barrier)。突破音障時,由於物體本身對空氣的壓縮無法迅速傳播,逐漸在物體的迎風面積累而終形成激波面,在激波面上聲學能量高度集中。這些能量傳到人們耳朵裡時,會讓人感受到短暫而極其強烈的爆炸聲,稱為音爆(Sonic Boom)。下面回到我們這個問題,聲波在水中的傳播速度比空氣傳播要高得多,大約是1450米每秒。比空氣聲速340要快4倍多。
也就是說我們的飛行物要達到5220km/h,與光速大約相差5個數量級。
假設全部的條件符合,物體這個速度在水下游泳時,水被擠壓的體積根本無法排開!!!只能在瞬間產生極大的熱量,以至於接近這個質能公式E=mc2。(能量=物體質量變化乘以光速的平方)
這個熱量會在一瞬間摧毀他附近的一切!包括這個飛行的物體。所以可能現實情況就是一個大爆炸,具體過程根本人力察覺不到。
拿普通氫彈原子彈的爆炸來說,其實爆炸中心就是有可能實現這個問題的,爆炸開來的微觀粒子,在某些介質,如一個水分子中,實現這個突破音障的飛行。不過因為是微觀粒子,所以可能察覺不到什麼變化。也或許我們常見的水分子,在這個粒子高速衝擊下,形成重水,超重水。
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4 # 力學Nerd王小胖
音障的本質就是被壓縮的介質無法及時擴散出去。水與空氣一樣,都是流體,所以水中的超音速物體同樣會有音障的問題,只不過水中的阻力更大些。為了弄清楚這個問題,我將從音速、聲音傳播原理入手,由淺入深,逐步揭開這個謎題。
1、聲速/音速顧名思義,就是聲音的傳播速度,這個速度跟介質有關,在空氣中我們通常取340m/s。聲速的公式如下,其中B為不可壓縮率,ρ為密度。由此可見,聲速隨密度增加而減小,隨不可壓縮率增加而增加。
儘管,水的密度大於空氣的密度,但是水更加不可壓縮,分子更大,因而聲音在水中傳播的速度更快,約1500m/s,是空氣的4.4倍。根據這個公式,假如物體完全不可壓縮(剛體),那麼聲音在其中的傳播速度為無窮大。當然,剛體是不存在的,物體的密度也不可能為零,所以音速也不可能無窮大。
2、聲音傳播的原理根據音速的公式,音速跟介質有關。那麼聲音到底如何傳播的呢?實際上,聲音的傳播靠的是發聲物體的振動,壓縮附近的介質,然後以波的形式往外擴散,這就是聲音傳播的原理。由此開見,聲波是一種縱波,其擴散(傳播)方式如下圖所示。
維基百科:聲音是一種波動,當演奏樂器、拍打一扇門或者敲擊桌面時,聲音的振動會引起介質——空氣分子有節奏的振動,使周圍的空氣產生疏密變化,形成疏密相間的縱波,這就產生了聲波,這種現象會一直延續到振動消失為止。3、音障/音爆飛行器在飛行過程中,飛機前端一直在壓縮空氣,如下圖所示。越靠近機頭,空氣壓縮的越厲害。顯然,飛機飛行速度越快,前端空氣也壓縮的越厲害。
如果飛行器速度沒有超過音速,那麼前端空氣的壓縮可以較為容易的擴散出去。也就是說飛行器飛行過程中產生的聲音能夠及時的擴散出去(音速)。但是,如果飛行器速度接近音速,此時飛行的速度接近聲音往外擴散的速度。飛行器前端積累了大量的無法及時擴散出去的聲波,空氣壓縮的非常厲害。這部分無法及時擴散的聲波,就會在飛行器前端形成一個類似於“屏障”之類的存在,這個空氣屏障的壓強、溫度、速度、密度等引數都與附近其他空氣不一樣。這個屏障就是激波,下圖就是飛機突破音速時產生的激波。激波的存在,造成了飛行器阻力大增,所以這種由於速度提升到音速而造成的障礙,稱之為音障。
飛行器進入超音速,形成激波面,正如前所述,這個激波面是高度壓縮的空氣,能量巨大,也是聲學能量的高度集中面,稱之為音錐,會聽到短暫而強烈的聲音,就是俗稱的音爆了。
實際上,激波肉眼是無法看到的。我們之所以能夠看見超音速飛機形成的錐形的“激波”,是由於對空氣的加壓加速,造成水汽凝結。這個效應稱之為:“普朗特-格勞厄脫凝結雲”。它其實代表的是空氣的可壓縮性。
4、水中的音障透過第三部分的介紹,我們已經知道出現音障的原因就在於被壓縮的介質無法及時擴散出去,在水中當然也會存在這種現象。但是,聲音在水中的傳播速度為1500m/s,即水介質的壓縮擴散傳遞的速度為1500m/s,遠高於空氣的340m/s。
流體中高速運動的物體受到的阻力如下圖,對於不同的流體,密度越大阻力也越大。水的密度為1000kg/m3,空氣密度1.3kg/m3,幾乎相差1000倍。如果其他條件都相同,那麼在水中的阻力是空氣阻力的1000倍。
目前能搜尋到的高超音速飛行器已經達到了26馬赫數(音速的26倍),但是這個是航天器,在高軌道執行,空氣密度小,阻力自然也小,同樣的發動機,實現的速度就越高了。在大氣層中的高超音速飛行器最快的是美國的X43,達到了9.6馬赫數,不過這個也在大氣層邊緣。實際上飛的越低,由於空氣密度越大,想要實現超音速付出的代價也就越大。
因此,在密度是空氣1000倍的水中,其難度無疑也相應的增加了1000倍。這還不算水中想要實現音障的速度是空氣的4.4倍。所以整體上,水中音障的難度是空氣音障的4400倍。目前,應該沒有相應的發動機可以提供足夠的動力。
5、總結透過這篇回答,我們已經知道了聲音傳播的基本原理,也清楚知道音障其實就是介質的壓縮得不到及時的釋放,從而不斷地積累。那麼在水中,理論上同樣存在音障的現象。但是由於聲速在水中的傳播速度是空氣的4.4倍,密度是空氣的1000倍,想要在水中實現音障,需要有非常巨大的發動機,這正是目前所欠缺的。
回覆列表
只不過,這個問題就得先說說什麼是音障了。然後咱們也得更加細緻的說說超音速飛機是不是真的超過了音速。
是不是看W君這樣寫大家特別疑惑呢?
咱們先說下空氣中的音障。
大家說音速的參考系是在飛行器-大氣體系之外的參考系。也就是站的遠遠的看一架飛機相對於和這架飛機完全無關的飛行條件下的空氣的音速比。當這個比值大於1的話,那麼這架飛機就超過了音速。
至於音障是怎麼產生的,咱們再複述一下吧:
最粗略的解釋就是當飛機達到聲音的速度的時候,所遇到的阻力就大幅度增加。甚至在很久以前,人們曾經有一點時間認為在空氣中飛行的飛機是無法超越音速的。但隨即就被射出的子彈能夠超越音速的現象所打破認知。
這是當年空氣動力學上的一個矛盾點和疑點。
後來透過不斷的對超音速飛機的研究過程中發現了激波的特性,才得以利用激波代替機翼所產生的升力使飛機在空中飛行。
但問題來了,飛機真的超越了音速嗎?其實並沒有!
這就得看參考系了,如果測量飛機邊上靜止大氣的音速,那麼飛機的確超越了音速。但如果測量飛機前部被飛機壓縮的空氣音速,則飛機速度一定小於這一小團空氣的音速。
當然了,如果空氣是一種理想氣體,那麼飛機的速度可以飛到幾乎無限。
為什麼聲速不可超越?其主要原因在於,“波”是物體中能傳遞最快的形式。
甚至固體本身的運動,我們也可以認為是一種波動行為。——施加力固體形產生波動,整個物體在波動下不斷開始延展運動。
這裡我們可以舉個簡單的例子,假如有一個AB兩端長度為5200米的鋼柱,在A短點施予一個足夠大的使鋼柱可以運動的力量,但是在B點則需要至少一秒後鋼柱子的B點才會向受力方方向移動。
原因——鋼傳播聲音(機械波)的速度是5200米/秒。
首先,水傳播聲音(機械波)的速度大約是1400米/秒,如果在水中想超越水傳播聲音的速度,則需要極大的能量使水壓縮,進一步提高水內音速。但是由於水的不可壓縮性會導致這個能量極大,而相對於空氣來說那麼就是太過於容易壓縮所以並沒有耗費“太大”的能量。
並且由於如果增加水的內能,那麼水會相變。簡單的說就蒸發為水蒸氣。
如果在水中高速的運動,當能量足夠大的時候,實際上還沒有達到水內音速,水就會由於內能的增加而變為蒸氣,形成——空泡。在“空泡”的包裹下這個物體的運動速度就有點超乎想象了。
俄羅斯有一種空泡魚雷,實際上是利用額外的頭部機構高速旋轉產生的空泡。可以達到300節的水下速度,也就是差不多一秒154米。這實際上就又是一種音速了。
如果還不理解這個問題可以再繼續查詢一下螺旋槳空泡的概念。
實際上造成螺旋槳腐蝕的空泡激波也是超音速產生的,只不過這個150多米/秒的音速是——純水氣內的音速。
再深入講就得扯到德布羅意了,估計大家也會真心的不愛聽啦。