Если вы когда-нибудь стояли рядом с пролетающим сверхзвуковым самолётом, то наверняка запомнили оглушающий звук ударной волны, которым сопровождается движение тела на скорости более 1 Маха, то есть больше скорости звука в данной среде. Область распространения ударной волны от сверхзвукового самолёта ограничена конусом Маха. Группе учёных из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне (США) и научно-исследовательского Университета Цинхуа (Китай) удалось впервые запечатлеть на видеокамеру «ударную волну» из фотонов. Как и звук, фотоны света имеют волновую природу, поэтому образуют такой же конус Маха, если тело движется быстрее, чем скорость света в окружающей среде.
Звуковой конус Маха
Конус Маха возникает, когда тело движется быстрее, чем генерируемые им волны. Чаще всего говорят о звуковой ударной волне от самолёта, который летит на скорости более 1 Маха, то есть больше скорости звука в данной среде.
Вообще, при движении на околозвуковых скоростях проявляется целый ряд интересных эффектов, в том числе эффект Прандтля — Глоерта: красивое облако позади самолёта.
Сверхзвуковые кольца маха
Эффект Прандтля — Глоерта: явление, заключающееся в конденсации атмосферной влаги позади объекта, движущегося на околозвуковых скоростях
Облако возникает из-за того, что летящий на высокой скорости самолёт создаёт область пониженного давления позади себя. После пролёта эту область заполняет окружающий воздух, в процессе чего температура воздуха резко понижается ниже точки росы (скачок температуры в результате адиабатического процесса). Если влажность воздуха велика, то водяной пар конденсируется в виде мельчайших капелек, образующих облако.
Распространение звуковой ударной волны — тоже адиабатический процесс, как и эффект Прандтля — Глоерта. Здесь в воздушной среде происходит скачок давления, плотности, температуры и скорости воздуха. Звук сам по себе — это колебания плотности, скорости и давления среды. Адиабатический процесс при сверхзвуковой скорости сопровождается ударной волной, которая на удалении от источника энергии вырождается в звуковую волну, а скорость её распространения приближается к скорости звука.
Показанное выше облако Прандтля — Глоерта напрямую не связано с ударной волной. Оно возникает просто из-за охлаждения воздуха и образования конденсата. То есть этот процесс нельзя назвать «визуализацией» конуса Маха. А вот эксперимент учёных из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне и Университета Цинхуа — это прямое наблюдение такого эффекта. Только не для звука, а для света.
Световой конус Маха
Световая ударная волна тоже имеет форму конуса, как и звуковая ударная волна. Чтобы записать его на видео, исследователи использовали в качестве движущегося тела лазерные импульсы. Они использовали хитрый приём, при котором импульсы света движутся со «сверхсветовой» скоростью, то есть быстрее, чем скорость света в окружающей среде.
УДИВИТЕЛЬНЫЕ ЭФФЕКТЫ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Первой задачей в этом эксперименте было затормозить свет. Все знают, что скорость света в вакууме составляет около 300 000 км/с, но в других средах свет движется медленнее, вплоть до полной остановки. Чтобы затормозить свет в этом эксперименте, учёные заполнили углекислым газом туннель между двумя пластинами, сделанными из смеси кремнийорганического каучука и порошка оксида алюминия.
В этот туннель запускали импульсы зелёного лазера продолжительностью 7 пикосекунд. Фокус в том, что внутри туннеля фотоны двигаются быстрее, чем через пластины вдоль туннеля. Поэтому при движении по туннелю лазерные импульсы оставляли за собой конический след более медленных световых волн, которые в результате рассеяния накладывались друг на друга в пластинах — это и есть конус Маха.
Другими словами, лазерный импульс рассеивается на газе и является по сути источником света, движущимся по туннелю со скоростью быстрее, чем скорость света за пределами туннеля. Что формирует такой конус.
В предыдущие годы уже проводились эксперименты, которые регистрировали наличие фотонных конусов Маха, но сейчас впервые учёным удалось снять в реальном времени на видеокамеру, как единственный лазерный импульс движется в пространстве.
Для этого пришлось сконструировать специальную электронно-оптическую камеру (щелевую камеру), которая может делать до 100 млрд кадров в секунду на одной экспозиции. Камера работала в трёх режимах: в первом снимался непосредственно феномен, а два других регистрировали информацию о времени. Потом эти данные совместили, чтобы получить научно достоверную видеозапись распространения фотонного конуса Маха.
Электронно-оптическая камера такой конструкции может найти применение в медицине и других областях науки для регистрации непредсказуемых световых явлений. В отличие от других камер, здесь не требуется предварительная настройка и тысячи отдельных кадров. Эта камера работает на одной выдержке.
Авторы предполагают, что эту камеру можно использовать для видеосъёмки импульсов, которыми нейроны обмениваются между собой в процессе мыслительной деятельности. Появляется возможность точно регистрировать электронный трафик в мозге человека. «Мы надеемся, что сможем использовать нашу систему для изучения нейронных сетей, чтобы понять, как работает мозг», — сказал оптический инженер Цзиньян Лян (Jinyang Liang) из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, ведущий автор научной работы.
Научная статья опубликована 20 января 2017 года в журнале Science Advances (doi: 10.1126/sciadv.1601814).
- конус Маха
- ударная волна
- звуковая волна
- скоростная видеосъемка
- щелевая камера
- электронно-оптическая камера
Источник: habr.com
masterok
Когда люди думают о сверхзвуковых скоростях, то или представляют себе звуковой удар, или военные реактивные истребители. Но самое интересное начинается тогда, когда в реактивной струе при преодолении звукового барьера можно разглядеть диски Маха. И чтобы их увидеть, вам не нужен реактивный истребитель.
Диски Маха формируются благодаря разнице давления между реактивной струей и окружающим воздухом. Изначально в струе более высокое давление, чем в воздухе, а потому она начинает расширяться. Но как только она расширяется слишком сильно, давление падает, струя сжимается и формирует диски. Они в свою очередь опять повышают давление, повторяя процесс.
Такое физическое явление свойственно не только истребителям. Оно может появляются в любой сверхзвуковой струе, даже если та состоит из воды. Даже в простой бутылочной ракете благодаря воде и воздуху под давлением можно наблюдать этот феномен. И заснять его на камеру во всех подробностях. Кстати, эта съемка даже выиграла приз за лучший слоу-моушен.
Процесс образования «алмазов» (при перерасширении сверхзвуковой струи) следующий: на некотором удалении от сопла давление сверхзвуковой струи уменьшается, чтобы «сравняться» с атмосферным. Поэтому, по мере удаления от выходного отверстия сопла, возрастает скорость газа и поперечное сечение сверхзвуковой струи. При этом происходит перерасширение струи (в наиболее широком ее сечении давление устанавливается ниже атмосферного), после чего струя начинает сужаться (чтобы «увеличить» давление и «сравнять» его с атмосферным). Торможение струи, в конце концов, приводит к возникновению «уплотнения» в некоторой части сечения струи, где скорость замедляется до дозвуковой, а давление становится выше атмосферного, и все повторяется снова. Этот процесс может происходить много раз, образовывая целые «колье» из «ударных алмазов».
Это видео — о дисках Маха и интересных эффектах ракетных реактивных струй.
Источник: masterok.livejournal.com
Принцип Маха
Ребенка, катающегося на карусели, притягивают к себе далекие звезды. Это и есть принцип Маха, гласящий, что «масса, находящаяся там, влияет на инерцию здесь». Благодаря тяготению удаленные физические тела воздействуют на то, как движутся и вращаются близкие к нам. Но почему это так и что позволяет нам сказать, совершает что-нибудь движение или не совершает?
Если вы когда-нибудь сидели в вагоне стоящего на станции поезда и смотрели, как мимо вас проплывают вагоны другого поезда, то знаете, что порою трудно бывает сказать, ваш поезд покидает станцию или на нее прибывает другой. Существует ли способ, который позволяет наверняка определить, какой из них действительно находится в движении?
Этот вопрос попытался решить в XIX веке австрийский философ и физик Эрнст Мах. Он пошел по стопам великого Исаака Ньютона, верившего, в отличие от Маха, что абсолютным фоном любого движения является пространство. Ньютоновское пространство было подобно миллиметровке с системой координат, и любое движение происходило словно на фоне этой решетки. Мах, однако, с этим согласен не был, он утверждал, что говорить о движении физического тела можно только в том случае, когда движение измеряется относительно другого физического тела, но не решетки. Двигаться можно лишь относительно чего-то, не так ли?
Исаак Ньютон
В определенном смысле Мах, испытавший влияние идей ньютоновского соперника Готфрида Лейбница, был предшественником Альберта Эйнштейна, также считавшего, что говорить можно только о движении относительном. Мах полагал, что, поскольку мяч и во Франции, и в Австралии катится по земле одинаково, пространственная решетка — штука бессмысленная.
А единственное, что может влиять на то, как мяч катится, — это сила тяжести. На Луне мяч катился бы иначе, так как сила, притягивающая его к поверхности планеты, там меньше. А поскольку каждое существующее во вселенной тело притягивает к себе все остальные тела, каждое и ощущает присутствие всех других через их взаимное притяжение. Таким образом, движение должно в конечном счете зависеть от распределения материи или ее массы, а не от свойств пространства.
«Абсолютное пространство по собственной природе его и безотносительно к чему бы то ни было внешнему всегда остается однородным и неподвижным» Исаак Ньютон, 1687
Эрнст Мах, 1838-1916
Помимо формулировки принципа Маха этот австрийский физик памятен трудами по оптике и акустике, физиологии чувственного восприятия, философии науки и, в частности, исследованием, посвященным сверхзвуковой скорости. В 1877 году он опубликовал важную статью, в которой описывалось, каким образом движущийся быстрее звука реактивный снаряд порождает отстающую от него ударную волну. Именно такая волна позволяет нам слышать звуковой хлопок, создаваемый сверхзвуковым самолетом. Отношение скорости движения снаряда или реактивного самолета к скорости звука называется ныне «числом Маха». Скажем, «Мах 2» — это скорость, в два раза превышающая скорость звука.
Масса
Альберт Эйнштейн
Инерция
Инерция, название которой происходит от латинского слова «лень», очень схожа с массой, но она сообщает нам о том, насколько трудно сдвинуть какое-либо тело. Объект, обладающий большой инерцией, сопротивляется попыткам привести его в движение. Даже в космосе, для того чтобы сдвинуть массивное тело, необходима большая сила. Для того чтобы изменить траекторию приближающегося к Земле гигантского каменного астероида, может потребоваться мощный толчок, созданный либо ядерным взрывом, либо силой поменьше, но действующей в течение долгого времени. А для маневрирования маленького космического корабля, обладающего меньшей инерцией, довольно крошечных реактивных двигателей.
Итальянский астроном Галилео Галилей еще в XVII веке выдвинул принцип инерции: если тело оставить в покое и не прилагать к нему никаких сил, его состояние останется неизменным. Если тело движется, то оно и продолжит двигаться с той же скоростью и в том же направлении. Если покоится, то и продолжит покоиться. Ньютон усовершенствовал эту идею, обратив ее в первый из законов его имени.
Галилео Галилей
Ведро Ньютона
Ньютон же сформулировал и закон всемирного тяготения. Он понял, что массы притягивают друг друга. Яблоко падает с дерева на землю, потому что его притягивает масса Земли. Равным образом и масса яблока притягивает Землю, однако нам пришлось бы очень постараться, чтобы измерить микроскопический сдвиг всей планеты Земля в сторону яблока.
Ньютон доказал, что сила притяжения быстро уменьшается с расстоянием, и потому, если мы летим высоко над Землей, планета притягивает нас гораздо слабее, чем когда мы находимся на ее поверхности. Но и уменьшившееся притяжение Земли мы все-таки ощущаем. Чем сильнее мы от нее отдаляемся, тем слабее оно становится, однако все еще сказывается на нашем движении. На самом деле все тела вселенной хоть и слабо, но притягивают нас к себе, и их притяжение вносит тонкие изменения в наше движение.
Взаимоотношения между физическими телами и движением Ньютон попытался понять, размышляя о вращении ведра с водой. Когда ведро только начинает вращаться, вода остается неподвижной, даже несмотря на движение ведра. Затем принимается вращаться и вода.
Поверхность ее искажается, в центре опускается, а по краям жидкость поднимается, пытаясь выбраться из ведра, однако ведро не выпускает ее. Ньютон утверждал, что вращение воды можно понять, лишь рассматривая его в фиксированной системе отсчета абсолютного пространства, на фоне его координатной решетки. Мы можем понять, вращается ли ведро, всего лишь взглянув на него, потому что увидим работу сил, создающих лунку на поверхности воды.
Столетия спустя Мах пересмотрел эту аргументацию. Что, если кроме ведра с водой во вселенной ничего больше нет? Как мы тогда узнаем, что вращается именно ведро? Мы ведь можем с таким же успехом сказать, что это вода вращается относительно ведра.
Единственный способ понять, что происходит, состоит в том, чтобы поместить во «вселенную ведра» еще один объект — скажем, стену комнаты или даже далекую звезду. Вот тогда мы ясно увидим, что ведро вращается относительно этого объекта. А без такой системы отсчета — неподвижной комнаты или звезд — сказать, что именно вращается, ведро или вода, будет невозможно.
То же самое происходит, когда мы наблюдаем за плывущим по небосводу Солнцем или за звездами. Что тут вращается — Земля или звезды? Как мы можем это узнать?
Согласно Маху и Лейбницу, для обнаружения движения необходимо внешнее по отношению к нему тело, а потому во вселенной, где есть лишь одно тело, понятие инерции бессмысленно. Так, если бы во вселенной не было ни одной звезды, мы никогда не узнали бы, что Земля вращается. Это благодаря звездам мы понимаем, что она вращается относительно них.
Сформулированная принципом Маха идея относительного движения в противопоставление движению абсолютному вдохновляла многих физиков, и в особенности Эйнштейна (который, собственно, и придумал название «принцип Маха»). Эйнштейн положил мысль об относительности любого движения в основу своих теорий относительности — специальной и общей. Он также разрешил одну из знаменитых проблем, связанных с идеями Маха, — вращение и ускорение должны создавать особые силы, но где же они? Эйнштейн показал, что, если бы все во вселенной вращалось относительно Земли, мы испытывали бы воздействие малой силы, которая заставляла бы нашу планету определенным образом подрагивать.
Природа пространства оставалась для ученых загадочной на протяжении тысяч лет. Современная физика элементарных частиц позволяет считать пространство кипящим котлом, в котором эти частицы непрерывно возникают и распадаются. Масса, инерция, силы и движение — все это в конечном счете проявления булькающего квантового супа.
Источник: sitekid.ru
МАХА КОНУС
конич. поверхность, ограничивающая в сверхзвуковом потоке газа область, в к-рой сосредоточены звуковые волны (возмущения), исходящие из точечного источника возмущений А (рис.).
Конус Маха, возникающий от точечного источника возмущений в сверхзвуковом потоке.
В однородном сверхзвуковом потоке газа угол а между образующими М. к. и его осью наз. углом Маха; он связан с Маха числом М соотношением sin s=1/M.
Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .
МАХА КОНУС
— конич. поверхность, ограничивающая в сверхзвуковом потоке газа область, в к-рой M., совершающий колебания под действием силы тяжести. Простейший M. состоит пз небольшого массивного груза С, подвешенного на нити (или лёгком стержне) длиной l. Если считать нить нерастяжимой и пренебречь размерами груза по сравнению с длиной нити, а массой нити по сравнению с массой груза, то груз на нити можно рассматривать как материальную точку, находящуюся на неизменном расстоянии l от точки подвеса О. (рис. 1, а).
Такой M. наз. круговым матем. M. Если, как это обычно имеет место, колеблющееся тело нельзя рассматривать как материальную точку, то M. наз. физическим.
Математический маятник (круговой). Если M., отклонённый от равновесного положения C 0 , отпустить без нач. скорости или сообщить точке С скорость, перпендикулярную ОС и лежащую в плоскости нач. отклонения, то M. будет совершать колебания в одной вертнк. плоскости (плоский матем. M.). Если пренебречь трением в оси и сопротивлением воздуха (что в дальнейшем всегда предполагается), то для M. будет иметь место закон сохранения механич. энергии, к-рый даёт:
где 
— скорость точки С, 
-её координата, отсчитываемая вертикально вверх от равновесного положения, — 
— угол отклонения M. от вертикали, g- ускорение силы тяжести, h- постоянная, пропорциональная полной механич. энергии M. и определяемая нач. значениями 
Когда сообщённая M. нач. энергия такова, что 
(для груза на стержне) или 
(для груза на нити), то M. будет совершать колебания с угл. амплитудой 
определяемой равенством 
Эти колебания не являются гармоническими; их период T зависит от амплитуды 
и определяется след, ф-лой, получаемой из ур-ния (1):
Когда указанные выше условия для k не выполняются, то M. не совершает колебат. движения. Напр., при 
груз на стержне будет описывать окружность. Когда сообщённая M. нач. энергия очень мала 
M. совершает малые колебания, близкие к гармоническим; период малых колебаний можно приближённо считать равным:
т. е. не зависящим от амплитуды (колебания изохронны). Ф-ла (3) по сравнению с (2) даёт погрешность до 0,05% при 
и до 1% при 
. Эти резуль-
таты справедливы для инерциальпой системы отсчёта. По отношению к Земле вследствие её суточного вращения плоскость качаний M. медленно изменяет своё направление (см. Фуко маятник).
Если отклонённому M. сообщить нач. скорость, не лежащую в плоскости нач. отклонения, то точка С будет описывать на сфере радиуса l кривые, заключённые между 2 параллелями 
где значения 
зависят от нач. условий (сферический M., рис. 2, я). В частном случае, при 
точка С будет описывать горизонтальную окружность (конический M., рис. 2, б). Из некруговых M. особый интерес представляет циклоидальный маятник, колебания к-рого изохронны при любой величине амплитуды.
Физический маятник. Физ. M. обычно наз. твёрдое тело, совершающее под действием силы тяжести колебания вокруг горизонтальной оси подвеса (рис. 1, б). Движение такого M. вполне аналогично движению кругового матем.
M. Период конечных или малых колебаний физ. M. определяется соответственно ф-лами (2) или (3), в к-рых l следует заменить величиной 
где т- масса M., a — расстояние от центра тяжести С до оси подвеса, I — момент инерции M. относительно оси подвеса, 
— радиус инерции относительно оси, параллельной оси подвеса и проходящей через С.
Период зависит от положения оси подвеса относительно центра тяжести и будет наименьшим при 
Величина l 0 , к-рая всегда больше а, наз. приведённой длиной физ. M. Если отложить вдоль линии ОС отрезок OK = l 0 , то полученная точка K паз. центром качаний физ. M. (матем.
M. с массой, сосредоточенной в точке К, будет колебаться с тем же периодом, что и данный физ. M.). Точка оси подвеса О и центр качаний K обладают свойством взаимности: если M. подвесить так, чтобы ось подвеса прошла через K, то точка О станет центром качаний и период колебаний M. не изменится. На этом свойстве основано устройство оборотного M., применяемого для определения ускорения силы тяжести.
Свойствами M. широко пользуются в разл. приборах: часах, приборах для определения ускорения силы тяжести (маятниковый прибор), ускорений движущихся тел, колебаний земной коры (сейсмограф), в гироскопич. приборах, приборах для эксперим. определения моментов инерции тел и др.
Лит. см. при. от. Динамика.. С. M. Тарг.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .
Источник: dic.academic.ru