4. Сверхзвуковая скорость
Сверхзвуковая скорость – скорость материального тела, превышающая скорость распространения звуковых волн в данной среде.
Сверхзвуковая скорость – скорость частиц вещества выше скорости звука для данного вещества или скорость тела, движущегося в веществе с более высокой скоростью, чем скорость звука для данной среды.
Скорость звука изменяется в зависимости от температуры, давления и химического состава. Так например, при температуре 0 градусов по Цельсию и давлении 1 Атм скорость звука в газообразном азоте М=334 м/с, в кислороде 316 м/с, водороде 1284 м/с, воздухе 331 м/с; в воде при температуре +20 по Цельсию 1490 м/с.
Принципиальной особенностью движения на около- и сверхзвуковых скоростях является необходимость учета сжатия среды, мало проявляющегося до этого. Сжатие радикально меняет всю картину обтекания, значительно увеличивая сопротивление движению. Так, изменение скорости и направления движения набегающего потока на сверхзвуковых скоростях приводит к образованию скачков уплотнения, в которых резко меняется плотность и температура среды. Еще одной особенностью движения со сверхзвуковыми скоростями является кинетический нагрев, вызываемый торможением набегающего потока на поверхности тела и в скачках уплотнения. При этом выделяется значительно больше тепла, чем от трения.
Форма тел, предназначенных для движения со сверхзвуковыми скоростями, имеет ряд особенностей - острые кромки, минимальная кривизна образующих и т.д. Большое значение для летательного аппарата имеет взаимное расположение его элементов - фюзеляжа, крыльев, мотогондол. При его оптимизации можно значительно увеличить подъемную силу ЛА.
В аэродинамике
часто скорость характеризуют числом
Маха, которое определяется следующим
образом:
,
где u — скорость движения потока или
тела, cs — скорость звука в среде. Звуковая
скорость определяется как
,
где γ — показатель адиабаты среды (для
идеального n-атомного газа, молекула
которого обладает i степенями свободы
он равен
).
Здесь i = np + nr + 2nc – полное число степеней
свободы молекулы. При этом, количество
поступательных степеней свободы np = 3.
Для линейной молекулы количество
вращательных степеней свободы nr = 2,
количество колебательных степеней
свободы (если есть) nc = 3n − 5. Для всех
других молекул nr = 3, nc = 3n − 6.
При движении в среде со сверхзвуковой скоростью тело обязательно создаёт за собой звуковую волну. При равномерном прямолинейном движении фронт звуковой волны имеет конусообразную форму, с вершиной в движущемся теле. Излучение звуковой волны обуславливает дополнительную потерю энергии движущимся телом (помимо потери энергии вследствие трения и прочих сил).
Аналогичные эффекты испускания волн движущимися телами характерны для всех физических явлений волновой природы, например: черенковское излучение, волна создаваемая судами на поверхности воды.
При обычных условиях в атмосфере скорость звука составляет примерно 331 м/сек. Более высокие скорости иногда выражаются в числах Маха и соответствуют сверхзвуковым скоростям, при этом гиперзвуковая скорость является частью этого диапазона. НАСА определяет "быстрый" гиперзвук в диапазоне скоростей 10-25 М, где верхний предел соответствует первой космической скорости. Скорости выше не считаются гиперзвуковой скоростью, а «скоростью возврата» космических аппаратов на Землю.
Гиперзвуковая скорость – («ГС») - скорости в аэродинамике, которые значительно превосходят скорость звука в атмосфере. Начиная с 1970х годов, термин обычно относится к сверхзвуковым скоростям выше 5 чисел Маха («М»). Гиперзвуковой режим является частью сверхзвукового режима полета. Сверхзвуковой поток воздуха коренным образом отличается от дозвукового и динамика полета самолета при скоростях выше скорости звука (выше 1.2 М) кардинально отличается от дозвукового полета (до 0.75 М). Определение нижней границы гиперзвуковой скорости обычно связано с началом процессов ионизации и диссоциаций молекул в приграничном слое около аппарата, который движется в атмосфере, что начинает происходить примерно при 5 М.
Заключение
Скорость света в прозрачной среде — скорость, с которой свет распространяется в среде, отличной от вакуума. В среде, обладающей дисперсией, различают фазовую и групповую скорость.
Фазовая скорость связывает частоту и длину волны монохроматического света в среде (λ=c/ν). Эта скорость обычно (но не обязательно) меньше c. Отношение фазовой скорости света в вакууме к скорости света в среде называется показателем преломления среды.
Античные учёные, за редким исключением, считали скорость света бесконечной. В Новое время этот вопрос стал предметом дискуссий. Галилей и Гук допускали, что она конечна, хотя и очень велика, в то время как Кеплер, Декарт и Ферма по-прежнему отстаивали бесконечность скорости света.
Первую оценку скорости света дал Олаф Рёмер (1676). Он заметил, что когда Земля и Юпитер находятся по разные стороны от Солнца, затмения спутника Юпитера запаздывают по сравнению с расчётами на 22 минуты. Отсюда он получил значение для скорости света около 220000 км/сек – неточное, но по порядку величины близкое к истинному. Спустя полвека открытие аберрации позволило подтвердить конечность скорости света и уточнить её оценку.
В 1862 году Ж. Б. Л. Фуко реализовал высказанную в 1838 году идею Д. Арго, применив вместо зубчатого диска быстровращающееся зеркало (512 оборотов в секунду). Отражаясь от зеркала пучок света, направлялся на базу и по возвращении вновь попадал на то же зеркало, успевшее повернуться на некоторый малый угол. При базе всего 20 м Фуко нашёл, что скорость света равна 298000 500 км/с. Схемы и основные идеи методов Физо и Фуко были многократно использованы в последующих работах по определению скорости света.
Арман Ипполит Луи Физо на опыте доказал, что скорость света в среде зависит от скорости и направления движения самой среды.
Полученное А. Майкельсоном в1926 году значение c = 299796 4 км/с было, тогда самым точным и вошло в интернациональные таблицы физических величин.
В последние годы нередко появляются сообщения о том, что в так называемой квантовой телепортации взаимодействие распространяется быстрее скорости света. Например, 15 августа 2008 г. исследовательская группа доктора Николаса Гизена (Nicolas Gisin) из университета Женевы, исследуя разнесенные на 18 км в пространстве связанные фотонные состояния, якобы показала, что «взаимодействие между частицами осуществляется со скоростью, примерно в сто тысяч раз большей скорости света». Ранее также обсуждался так называемый парадокс Хартмана - сверхсветовая скорость при туннельном эффекте.
Научный анализ значимости этих и подобных результатов показывает, что они принципиально не могут быть использованы для сверхсветовой передачи какого-либо сигнала или перемещения вещества.
Специальная теория относительности Эйнштейна говорит, что ничто не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света. Однако струи протонов и электронов, которые выбрасывают объекты типа квазаров и черных дыр движутся со скоростью, почти, что равной скорости света.
Искривление пути света происходит в любой ускоренной системе отсчёта. Детальный вид наблюдаемой траектории и гравитационные эффекты линзирования зависят, тем не менее, от кривизны пространства-времени. Эйнштейн узнал об этом эффекте в 1911 году, и, когда он эвристическим путём вычислил величину кривизны траекторий, она оказалась такой же, какая предсказывалась классической механикой для частиц, движущихся со скоростью света. В 1916 году Эйнштейн обнаружил, что угловой сдвиг направления распространения света в ОТО в два раза больше, чем в ньютоновской теории. Таким образом, это предсказание стало ещё одним способом проверки ОТО.
Невозможность достижения скоростей, превышающих скорости света, вытекает из специальной теории относительности (СТО) Эйнштейна. Если бы удалось доказать, что возможна передача сигналов со сверхсветовой скоростью, теория относительности пала бы. Пока что этого не случилось, несмотря на многочисленные попытки опровергнуть запрет на существование скоростей, больших с. Однако в экспериментальных исследованиях последнего времени обнаружились некоторые весьма интересные явления, свидетельствующие о том, что при специально созданных условиях можно наблюдать сверхсветовые скорости и при этом принципы теории относительности не нарушаются.
Список литературы
http://www.physel.ru/content/view/668/69/
http://ru.wikipedia.org/wiki/Сверхзвуковая_скорость
http://ru.wikipedia.org/wiki/ОТО#.D0.9F.D1.80.D0.BE.D0.B1.D0.BB.D0.B5.D0.BC.D1.8B_.D0.9E.D0.A2.D0.9E
http://optika8.narod.ru/7.Ploskoe_zerkalo.htm
Приложение 1
Приложение 1 – Неудачные попытки определить скорость света
Приложение 2
Приложение 2 – Определение скорости света по Рёмеру: Ю1З1 — Земля З1 находится между Юпитером Ю1 и Солнцем С; Ю2З2 — Земля З2 и Юпитер Ю2 находятся по разные стороны Солнца; Ю3З3 — следующее взаимное расположение Земли З3 и Юпитера ЮЗ
Приложение 3
Приложение 3 – К определению скорости света по методу вращающегося зеркала методом Фуко
Приложение 4
Приложение 4 – Определение скорости света методом Физо
