Mach-Zahl
PhysikalischeKennzahl | |||||
---|---|---|---|---|---|
Name | Mach-Zahl | ||||
Formelzeichen | |||||
Dimension | dimensionslos | ||||
Definition | |||||
| |||||
Benannt nach | Ernst Mach | ||||
Anwendungsbereich | kompressible Strömungen |
DieMach-Zahl(auchMachzahl,machsche ZahloderMach’sche Zahl,Formelzeichen:) ist einedimensionslose ZahlderStrömungslehrefür das Verhältnis derGeschwindigkeit(bspw. eines Körpers) zurSchallgeschwindigkeiteines umgebendenFluids.Ist beispielsweise ein Flugzeug genauso schnell wie der Schall, ist es mit „Mach 1 “unterwegs. Benannt ist die Mach-Zahl nach dem österreichischen Physiker und PhilosophenErnst Mach.Die Bezeichnung wurde 1929 von dem Schweizer AerodynamikerJakob Ackereteingeführt.[1]
Definition
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Es gilt:
- .
Unter Mach-Zahl=1, umgangssprachlich auch „Mach 1 “, versteht man somit eine Strömung mit Schallgeschwindigkeit. Entsprechend lassen sich „Mach 2 “(die doppelte Schallgeschwindigkeit), Mach 3 usw. nicht in genaue Geschwindigkeiten umrechnen, ohne die Bezugsschallgeschwindigkeit zu kennen.
Mittels der Mach-Zahl lassen sich aber Strömungen in verschiedene Bereiche aufteilen, etwa:
- subsonische Strömung,
- transsonischeStrömung,
- supersonischeStrömung.
Abspricht man auch vonhypersonischerStrömung.
Diese Bereiche erfordern verschiedene Lösungsansätze, da für die Bereiche jeweils andere physikalische Phänomene auftreten. Beispielsweise treten fürkompressible Effekte in den Strömungen auf (kompressible Strömung), während solche Effekte im Regelfall fürkeine Rolle spielen (inkompressible Strömung).
Meist wird die Mach-Zahl verwendet, wenn das Fluid ein Gas ist. Mit deridealen Gasgleichungkann man dieSchallgeschwindigkeitin Gasen durch die Temperatur ersetzen, was auf den folgenden Ausdruck führt:
- .
Darin sind
- derIsentropenexponentdes Fluids unter den gegebenen Randbedingungen,
- die auf dieMolmassebezogene allgemeineGaskonstanteund
- dieTemperaturdes betrachteten Gases.
Im Allgemeinen variiert der Isentropenexponentauch für ein spezielles Fluid in Abhängigkeit vom Druckund der Temperatur.Für hinreichend kleine Druck- und Temperaturveränderungen kann er als konstant angenähert werden.
Luftfahrt
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f5/FA-18_Hornet_breaking_sound_barrier_%287_July_1999%29_-_filtered.jpg/220px-FA-18_Hornet_breaking_sound_barrier_%287_July_1999%29_-_filtered.jpg)
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/thumb/6/67/Internationale_Standard_Atmosph%C3%A4re.png/220px-Internationale_Standard_Atmosph%C3%A4re.png)
In derLuftfahrtwird die Mach-Zahl zur dimensionslosen Angabe derFluggeschwindigkeitschnell fliegenderFlugzeugeverwendet. Sie stellt das Verhältnis der Fluggeschwindigkeit zurSchallgeschwindigkeitin der Umgebungsluft dar. Da die Schallgeschwindigkeit vor allem von derLufttemperatur,und diese wiederum von derFlughöheabhängig ist, ist die Anzeige der Mach-Zahl die einzige in jeder Reise-Flughöhe und bei jeder Umgebungstemperatur vergleichbare Aussage. Dies ist insbesondere bei Verkehrsflugzeugen zur Einhaltung der vom Flugzeughersteller vorgegebenen Höchstgeschwindigkeit (MMO,Mach Maximum Operating Number) betreffend dertatsächlichen Fluggeschwindigkeit (TAS, engl. true airspeed)relativ zur Umgebungsluft von großer Bedeutung. Ein Überschreiten der MMOführt zum Erreichen derkritischen Mach-Zahlund damit zuGrenzschichtablösungenals Ursache vonStrömungsabrissenund einem damit verbundenen Absturzrisiko sowie zu sprunghaft auftretenden extremen mechanischen Belastungen der Flugzeugstruktur. Die Mach-Zahl wird von einem speziellen Fluginstrument, demMachmeter,angezeigt.
Temperatur | Schallgeschwindigkeit | |
---|---|---|
−50 °C | 1080 km/h | ≈ 300 m/s |
−25 °C | 1134 km/h | ≈ 315 m/s |
0 °C | 1193 km/h | ≈ 331 m/s |
20 °C | 1235 km/h | ≈ 343 m/s |
25 °C | 1245 km/h | ≈ 346 m/s |
Bei einer Temperatur von −50 °C und einem Luftdruck von 26 kPa (nachStandardatmosphäreüblich in ca. 10.000 m Flughöhe) beträgt die Schallgeschwindigkeit rund 300 m/s = 1080 km/h. Ein Passagierflugzeug, das unter diesen Bedingungen mit einer Reisegeschwindigkeit von Mach 0,8 fliegt, hat eine Geschwindigkeit von 240 m/s = 864 km/h.
Siehe auch
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- Laval-Zahl
- Cauchy-Zahl(zur Laval-Zahl analoge Kennzahl in Festkörpern)
- Hyperschallgeschwindigkeit
- Hyperschallwaffe
Literatur
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- Ernst Götsch:Luftfahrzeugtechnik.Einführung, Grundlagen, Luftfahrzeugkunde. Motorbuch-Verlag, Stuttgart 2003,ISBN 3-613-02006-8.
- Michael Grossrubatscher:Pilots reference guide.7., revidierte Auflage. Eigenverlag des Autors, München 2008,ISBN 978-3-00-025252-5(englisch).
- N. Rott: Jakob Ackert and the History of the Mach Number.Annual Review of Fluid Mechanics17 (1985), S. 1–9.
- N. Rott: J. Ackeret und die Geschichte der Machschen Zahl.Schweizer Ingenieur und Architekt21 (1983), S. 591–594.
Weblinks
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- Machzahlrechner – Java(englisch)
- Berechner für Schallgeschwindigkeit und Mach-Zahl
- Die Schallgeschwindigkeit und die wichtige Temperatur
- Mach NumberNASAGlenn Research Center(englisch)
Einzelnachweise
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- ↑Jakob Ackeret: Der Luftwiderstand bei sehr großen Geschwindigkeiten. Schweizerische Bauzeitung 94 (Oktober 1929), S. 179–183. See also: N. Rott: Jakob Ackeret and the History of the Mach Number. Annual Review of Fluid Mechanics 17 (1985), S. 1–9; N. Rott: J. Ackeret und die Geschichte der Machschen Zahl. Schweizer Ingenieur und Architekt 21 (1983), S. 591–594.