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O segredo do número de Mach: como medir a razão entre a velocidade de um fluido e a velocidade do som?
No mundo da dinâmica de fluidos, o número de Mach é uma importante medida sem unidade com seu próprio método de cálculo e significado exclusivos. O número de Mach recebeu esse nome em homenagem ao físico e filósofo austríaco Ernst Mach e representa a razão entre a velocidade de um fluido ao cruzar uma fronteira e a velocidade local do som. Este valor pode nos ajudar a entender as características do fluxo de fluidos. Especialmente nos campos da aviação e engenharia, o cálculo e a aplicação do número de Mach são cruciais.
O número de Mach representa a razão entre a velocidade do fluxo e a velocidade do som. Quando o número de Mach é 1, a velocidade do fluido é exatamente igual à velocidade do som.
Cálculo do número de Mach e seu significado
A fórmula para calcular o número de Mach é M = u / c, onde u representa a velocidade local do fluido e c representa a velocidade local do fluido. Velocidade do som. A proporção dos dois torna o número de Mach um indicador adimensional com aplicabilidade universal. Dependendo do número de Mach, podemos classificar o estado do fluido em várias categorias, como subsônico (M < 1), supersônico (M > 1) e supersônico (M ≈ 10).
Número de Mach e compressibilidade de fluidosNo estado subsônico, o efeito de compressão do fluido é pequeno, e equações simplificadas de fluidos incompressíveis são frequentemente usadas para prever seu comportamento.
O tamanho do número de Mach afeta diretamente a compressibilidade do fluido. Em números de Mach baixos, o fluido pode ser aproximado como um fluxo incompressível, o que é muito importante para o projeto de aeronaves e outros equipamentos mecânicos que envolvem fluxo de alta velocidade. À medida que o número de Mach aumenta, o fluxo do fluido se torna altamente compressível, e modelos matemáticos mais complexos devem ser usados para análise e projeto. Especialmente na faixa supersônica, a previsão do comportamento do fluxo se torna mais desafiadora. Quando um objeto se move em velocidades supersônicas, as ondas de choque geradas inevitavelmente afetam o fluido ao redor, causando poderosas ondas de choque, que são a fonte do estrondo sônico.
Aplicação do Número de Mach
O número de Mach tem aplicações abrangentes e importantes, especialmente na indústria aeroespacial. Para uma aeronave, o número de Mach afeta não apenas seu design, mas também seu desempenho e operação. Entender o efeito das mudanças no número de Mach no campo de fluxo ao redor de uma aeronave pode ajudar engenheiros a criar melhores projetos para superar a barreira do som. Além disso, o número de Mach também ajuda a calcular outros sistemas de fluidos em projetos de engenharia, como projetos de bicos e controladores de fluxo de gás, que envolvem o conceito de número de Mach.
Quando uma aeronave quebra a barreira do som, ela cria uma enorme diferença na pressão do vento chamada onda de choque, que causa o estrondo sônico ouvido quando a aeronave excede a velocidade do som.
Fluxo de fluido de alta velocidade no canal
Quando um fluido passa por um canal, mudanças no número de Mach afetarão mudanças na velocidade do fluxo. No caso subsônico, o estreitamento do canal resultará em um aumento na velocidade do fluxo, enquanto essa relação é revertida quando o fluxo entra no regime supersônico. Neste momento, a expansão do canal aumentará a vazão. Para atingir o fluxo supersônico, os projetistas devem usar um bico convergente-divergente que permita que o fluido acelere suavemente.
A estreita constrição permite que o fluxo atinja velocidades sônicas, enquanto a expansão subsequente continua a acelerar o fluxo para velocidades supersônicas.
Como calcular o número de Mach
Em aplicações do mundo real, os instrumentos de voo geralmente calculam o número de Mach medindo diferenciais de pressão em vez de usar a temperatura diretamente. Usar diferentes medições de pressão para estimar o número de Mach permite que os engenheiros entendam rapidamente o estado atual da aeronave e ajustem as operações para garantir a segurança.
ConclusãoO número de Mach é um indicador do tipo de fluxo de fluido e suas características. Ao entender e calcular os números de Mach, podemos não apenas projetar aeronaves mais seguras, mas também explorar mais aplicações de fluxo de alta eficiência. Você já se perguntou como a tecnologia do futuro usará os números de Mach para levar a experiência de voo humano ao próximo nível?
