Tại sao máy bay sử dụng Mach thay vì km 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.

Có mối quan hệ chặt chẽ giữa tốc độ Mach và tốc độ truyền âm thanh. Âm thanh là sóng cơ lan truyền trong môi trường và tốc độ truyền của nó phụ thuộc vào mật độ và mô đun đàn hồi của môi trường đó. Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường, tốc độ truyền âm thanh trong không khí là khoảng 343 mét/giây. (Ảnh: Zhihu)

Dựa trên kết luận này, Ernst Mach đề xuất một lý thuyết mới cho 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 xác minh lý thuyết này bằng thực nghiệm và đưa ra 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 giá trị không thứ nguyên thu được là số Mach.

Sự ra đời của tốc độ Mach có ý nghĩa rất lớn. Trong ngành hàng không vũ trụ, số Mach là đơn vị phổ biến để đo tốc độ của máy bay. Trong không khí ở điều kiện thường, các tốc độ lớn hơn hoặc bằng Mach 1 (343 m/s hay 1235 km/h với không khí ở mực nước biển tại 20 độ C) là các tốc độ siêu thanh. Tốc độ lớn hơn Mach 5 gọi là cực siêu thanh.

Sự khác biệt giữa tốc độ âm thanh với 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 một vật đang chuyển động so với môi trường. Sự ra đời của tốc độ Mach không chỉ có ý nghĩa lớn đối với kỹ thuật hàng không vũ trụ mà còn có tác động đến nghiên cứu trong các lĩnh vực khác. Ví dụ, trong 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.

Tốc độ Mach đề cập đến tỷ lệ tốc độ của một vật thể chuyển động với tốc độ âm thanh. Nói một cách đơn giản, khi tốc độ của một vật thể vượt quá tốc độ âm thanh, nó sẽ đạt đến trạng thái siêu âm hay còn gọi là tốc độ Mach. (Ảnh: Zhihu).

Lý do máy bay sử dụng Mach để mô tả tốc độ

Mật độ không khí đề cập đến khối lượng không khí chứa trong một đơn vị không gian trong các 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 thở trở nên khó khăn ở độ cao lớn. Trong quá trình bay, những thay đổi về mật độ không khí sẽ tác động trực tiếp đến tính năng bay và đặc tính bay của máy bay.

Trong định nghĩa về số Mach, tốc độ âm thanh là một giá trị tham khảo 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 tới 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 tốc độ cao của máy bay. Điều này có nghĩa là máy bay tốc độ cao cần phải đối mặt với hàng loạt vấn đề và thách thức vật lý đặc biệt trong khí nén.

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

Khí nén là ngành khoa học nghiên cứu chuyển động của các vật thể trong chất khí, liên quan đến lực không khí, lực cản, lực nâng và các yếu tố khác. Khi máy bay di chuyển với tốc độ siêu âm, hiệu ứng khí động học tăng lên và sự thay đổi áp suất cũng như nhiệt độ trong không khí trở nên đáng kể hơn. Vì vậy, điều quan trọng là phải hiểu và xem xét số Mach trong thiết kế và vận hành máy bay tốc độ cao.

Các vật thể siêu âm sẽ tạo ra sóng xung kích trong quá trình lan truyền, đó cũng là nguyên nhân khiến chuyến bay siêu âm tạo ra âm thanh “ầm ầm”. Khi một vật thể chuyển động với tốc độ siêu âm, âm thanh không kịp thời thoát ra khỏi luồng khí xung quanh vật thể, tạo thành sóng xung kích bị nén, sự lan truyền của sóng xung kích sẽ gây ra những thay đổi đột ngột về áp suất và nhiệt độ, dẫn đến âm thanh chói tai. (Ảnh: Zhihu)

Những thay đổi về mật độ không khí cũng có tác động đến hệ thống đẩy của máy bay và hiệu quả sử dụng nhiên liệu của máy bay. Khi độ cao tăng và mật độ không khí giảm, hiệu suất động cơ có thể giảm, cần thêm lực đẩy để duy trì chuyến bay. Điều này sẽ có tác động quan trọng đến mức tiêu thụ nhiên liệu của máy bay và khoảng cách bay. Do đó, hiểu được tác động của mật độ không khí đến hiệu quả sử dụng năng lượng của máy bay là rất quan trọng để thiết kế máy bay hiệu quả và cải tiến công nghệ hàng không.

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 to lớn đối với 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 còn có thể tránh được sự đánh chặn của hệ thống phòng thủ mặt đất, làm tăng tính khó đoán về mặt chiến thuật.

Trong những năm gần đây, với sự tiến bộ không ngừng của khoa học công nghệ, việc nghiên cứu, ứng dụng chuyến bay siêu thanh của con người cũng không ngừng tiến bộ. Ví dụ, khái niệm tàu siêu thanh đã được đưa vào lĩnh vực đường sắt cao tốc để nâng cao hiệu quả vận tải. Ngoài ra, thiết kế máy bay siêu thanh cũng theo đuổi tốc độ cao hơn và lực cản thấp hơn để giảm tiêu thụ năng lượng và ô nhiễm môi trường. (Ảnh: Zhihu).

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