最著名的NASA X-43 和黑鸟战斗机，包括航天飞机，速度可以达到数马赫。

黑鸟战斗机

那么马赫是速度单位吗？

严格来说，马赫不是速度单位，但在可压缩流体中，无论其他变量如何，流体的可压缩性都会影响给定马赫数下的性能。

这种可压缩流体可以是液体或气体。

由于马赫数定义为两个速度之比，因此它是无量纲数。

可压缩流体

那么马赫数从何而来呢？如何理解马赫数这样的无量纲数？如果你以15 马赫的速度飞行一小时，你会飞行多少公里？

马赫数的由来

马赫数的出现必须提到一个人，他就是恩斯特·马赫。

他的时代是奥地利帝国，他是奥地利物理学家和哲学家。

恩斯特·马赫

他对物理学最杰出的贡献是他拍摄的一系列照片。不要低估这些照片。这些照片揭示了高速移动物体的行为。

例如，火花冲击波和弹道冲击波的照片揭示了物体以超音速行进时如何在子弹或炮弹前面产生压缩空气。

纹影法捕捉子弹高速运动状态

马赫利用纹影摄影记录了这一切，并于1887 年发表了相关论文。

论文指出，当空气中的物体运动时，会形成以声速传播的球形扰动波，当物体速度v大于c时，会形成以物体为顶点的圆锥形包络面。形成在波形前面。

圆锥体的母线所形成的角度与物体运动方向的关系后来被普朗特命名为“马赫角”。

马赫点

不过，马赫数并不是马赫本人命名的，而是在后来的物理研究中，瑞士航天工程专家雅各布·阿克雷特在他20世纪的研究中发现，如果指定气流速度v与地面声速a，其比值为a特征数大大简化了粘性可压缩流中类似属性的定义。

这一发现使人们关注马赫数之间的比值关系以及不同流体之间比值系数的重要性。

那么这个比例关系是如何得到的呢？

如何理解马赫数

考虑到马赫主要用于太空飞行，这里的分析和解释重点是使用气体作为流体，所以必须提到声速的概念。

声速

在气体或液体中，声音由压缩波组成，而在固体中，波以两种不同的类型传播：纵向和横向。

纵向波位于平面内，是唯一在气体和液体中传播的声波。

横波，也称为剪切波，只出现在固体中，因为只有固体才能支撑弹性变形。一般来说，横波以一对正交偏振的形式出现。

声波在不同介质中传播之间，声速是可变的，具体取决于波传播的材料特性。

波传播

然而，在流体中，只有介质的可压缩性和密度是重要因素，因为流体不传递剪切应力。

另一件需要知道的事情是，声波传播的介质并不总是绝热响应，因此声速随频率而变化。

此类研究最早的实验是由著名物理学家艾萨克·牛顿在19世纪进行的计算。然而，在后来的实验中，人们改变了牛顿当年计算的数据。

物理学家艾萨克·牛顿

回到我们前面提到的声速传递，目前我们所知道的关于空气中声速的使用是，影响空气中声速的最重要因素是温度。

速度与绝对温度的平方根成正比，每升高摄氏度大约为0.6m/s。

温度

同时，声速也会因湿度而增加。 0%和100%湿度之间的差异约为1.5m/s。这种湿度效应的大小随着温度的变化而显着增加。

就马赫数而言，学术上的定义是：如果马赫数小于1，则流速小于音速；如果马赫数小于1，则流速小于音速。如果马赫数大于1，则表示物体的宏观运动速度快于音速。对于在空中飞行的物体来说，当物体向前飞行时，会给空气带来持续的扰动，前面的气体会通过一种能量传递而被“驱散”。

如果物体向前移动得更快，气体将被压缩，其行为与不可压缩流不同。

一般情况下，马赫数超过0.3的物体必须考虑气体的压缩性。

这种变化最直接的表现就是空气阻力会明显增大，出现冲击波，也就是我们所说的“音爆”。

音爆现象

明确了这些基本原理之后，我们就可以进行简单的计算了。如果以15 马赫的速度飞行一小时，飞行距离是多少？

15马赫有多快？

目前学术界将飞行分为六类：亚音速，马赫数0.8；跨音速，马赫数0.8~1.2；音速为1，超音速马赫数在1.2~5.0之间，后者马赫数如果超过8.8则进入高超音速范围，如果超过25.0则归类为再入速度（再入大气层的速度） ）。

通过我们之前讲的音速和马赫数的关系，再加上运动物体的速度，我们来简单计算一下。

根据公式M=u/c，其中M表示马赫数，u表示速度，c表示音速。这里我们假设物体是在10000米的高空飞行，而不是在接近地面的地方飞行，因为高空气温的降低会影响声速，此时c的值为295m/s。

经过计算可以知道，如果以15马赫的速度飞行一小时，飞行距离为15930公里。如果我们以这个速度飞行，我们可以在一小时内绕地球不止一圈。

飞机飞行速度为15 马赫

如果高度改变，相应的温度和湿度也会改变。前面我们也提到过，声速会因为这些物理因素的变化而发生变化，所以不同状态下声速是不同的。

在某种程度上，声速代表了温度的变化，这就是为什么飞机上的一些指示器使用压力差来指示飞行过程中的真实空速。

最后，我们需要知道的是，马赫并不是普通意义上的速度，不能直接用来表示速度运动。

与速度本身一样，马赫数是温度和真实空速的函数。

就这个速度而言，它已经超过了地球上飞行的所有飞机。即便是NASA和美军打造的X-43，速度也只有9.6马赫。

X-43

这已经进入高超音速的范畴。作为目前速度最快的有人驾驶飞机之一，驾驶这种飞机必须具备强健的身体素质和高超的飞行技术。

一般来说，大多数战斗机的速度范围仅为超音速。从设计、开发和成本来看，一旦超过这个范围，就必须考虑很多因素。

无论是材料还是整体设计都必须最大限度地减少冲击波造成的阻力，以及高温摩擦和动能积累。

如果进入速度与陨石坠落或航天器着陆的速度基本相同，由于空气被严重压缩，能量积累会导致空气电离。

陨石坠落

由于电离作用，电磁信号无法到达飞行舱内部，因此宇航员在此期间将失去联系。

事实上，这种高速运动在日常生活中时有发生，比如扭伤。

当公园里的那些绅士们在鞭打鞭子时，鞭子会高速运动，鞭尖突然改变方向，会在鞭子的前端或部分形成超音速冲击波。

正是这种能量的产生，使得空气中发出噼啪的声音。

公园里的人正在挥动他的鞭子