Numero di Mach
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Il Numero di Mach (Ma) è un gruppo adimensionale definito come il rapporto tra una velocità e la velocità del suono nel fluido considerato: Ma = c / a
Il suo utilizzo è di basilare importanza in fluidodinamica e in particolare in tutte le applicazioni aeronautiche, in cui viene considerato anche come un'unità di misura della velocità. Per esempio Mach = 1 significa viaggiare ad una velocità pari a quella del suono, Mach = 2 al doppio della velocità del suono.
Per estensione, in fisica, il numero di Mach definisce il rapporto tra una velocità e la velocità di propagazione delle onde longitudinali nel mezzo considerato.
In fluidodinamica e aerodinamica viene utilizzato per definire il tipo di moto attorno ad oggetti ad alta velocità (aerei, razzi), così come nel caso di flussi interni all'interno di ugelli, diffusori o gallerie del vento.
Il suo nome deriva dal nome del fisico e filosofo austriaco Ernst Mach.
Indice |
[modifica] Aerodinamica esterna
Il moto attorno ad oggetti ad alta velocità può essere classificato in 5 diversi regimi:
| Regime subsonico | Ma < 1 |
| Regime sonico | Ma = 1 |
| Regime supersonico | Ma > 1 |
| Regime transonico | 0,8 < Ma < 1,3 |
| Regime ipersonico | Ma > 5 |
In regime transonico, il campo di moto include sia parti subsoniche che supersoniche. Al crescere della velocità, il regime transonico comincia quando appare la prima zona supersonica. Nel caso di un profilo alare, questo accade generalmente sul dorso dell'ala. Il flusso supersonico può decelerare solo con un'onda d'urto normale, prima del bordo d'uscita dell'ala. (Fig.1a)
Al crescere della velocità asintotica (ovvero lontano dal corpo), la zona supersonica si estende verso il bordo d'uscita e il bordo d'attacco dell'ala. Quando la velocità supera la condizione di Ma=1 (muro del suono), l'onda d'urto normale raggiunge il bordo d'uscita, mentre davanti all'oggetto si crea un'ulteriore onda d'urto normale così che l'unica zona subsonica del campo di moto risulta essere una piccola zona compresa tra questa onda e il bordo d'attacco dell'ala. (Fig.1b)
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Fig. 1. Il numero di Mach nel caso di flusso transonico su un'ala; Ma<1 (a) e Ma>1 (b).
Quando un aereo supera il valore di Ma=1 nasce un'onda d'urto davanti all'oggetto, rappresentabile come una superficie di discontinuità per tutte le proprietà del fluido. Questa superficie inviluppa il corpo in in una sorta di 'cono' (detto cono di Mach), il cui angolo di apertura dipende essenzialmente dalla velocità del velivolo, decrescendo al crescere di questa. Questa onda può produrre il caratteristico boom sonico, udibile anche a grandi distanze.
Quando il flusso supersonico è perfettamente sviluppato, la forma del cono di Mach è più facilmente riconoscibile, e il flusso risulta essere completamente supersonico oppure (nel caso di oggetti 'tozzi', quali ad esempio una capsula di rientro in atmosfera) rimane solo una piccola parte subsonica compresa tra l'onda d'urto principale e la parte anteriore dell'oggetto.
Al crescere ulteriore del numero di Mach, l'inclinazione dell'onda d'urto diventa sempre maggiore e di conseguenza il cono di Mach diventa sempre più stretto. Come il fluido attraversa l'onda d'urto, le velocità decrescono mentre temperatura, densità e pressione aumentano bruscamente.
Nel caso di regime ipersonico questa brusca variazione di tali grandezze può portare a fenomeni di ionizzazione e dissociazione delle molecole di gas, con inoltre raggiungimento di elevate temperature sul corpo riscaldamento aerodinamico.
[modifica] Aerodinamica interna
Come un flusso in un condotto supera il valore di Ma=1, il comportamento del fluido cambia radicalmente.
In regime subsonico, ad un restringimento della vena fluida corrisponde un incremento delle velocità. In regime supersonico tuttavia succede esattamente l'opposto, e ad un restringimento della sezione del condotto corrisponde una diminuzione della velocità del fluido.
La conseguenza di ciò è che per far accelerare un fluido fino a velocità supersoniche deve essere previsto un ugello convergente - divergente (detto ugello De Laval), in cui la parte convergente fa accelerare il fluido fino alla condizione sonica, e la parte divergente fa continuare l'accelerazione nel campo supersonico.
[modifica] Aeronautica
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Per approfondire, vedi la voce Mach (aeronautica). |
Da quando fu misurata con precisione la velocità del suono, il suo superamento divenne un'ossessione. Fra il 1930 e il 1940, il tentativo di superarlo portò all'adeguamento della potenza dei motori e della struttura degli aeroplani.
L'attraversamento del muro del suono produce un caratteristico fragore (il bang sonico, simile ad un tuono) e vibrazioni potenzialmente pericolose, che possono anche provocare danni all'aereo se questo non è appositamente progettato.
Un velivolo che viaggia ad una velocità inferiore a Mach = 1 si dice che viaggia a velocità subsonica, se è superiore a Mach = 1 si dice che viaggia a velocità supersonica, per valori di Mach vicini o superiori al 5 si parla di velocità ipersonica.
Gli aeroplani commerciali di linea viaggiano in genere poco sotto Mach 1, mentre la maggior parte degli aerei militari possono superarlo e arrivare a volte a Mach 2 o 3. Gli unici aerei commerciali di linea a volare in regime supersonico sono stati il Concorde ed il sovietico Tu 144. Velocità fino a Mach 10 sono state raggiunte da apparecchi sperimentali.
Il primo uomo ad oltrepassare il muro del suono fu Charles "Chuck" Yeager a bordo del Bell X-1, il 14 ottobre 1947,
