物体运动速度超过空气中的音速会产生音爆,那要是在水中运动超过水里的音速会怎么样呢?
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谢邀,也会产生音障。
只不过,这个问题就得先说说什么是音障了。然后咱们也得更加细致的说说超音速飞机是不是真的超过了音速。
是不是看W君这样写大家特别疑惑呢?
咱们先说下空气中的音障。
大家说音速的参考系是在飞行器-大气体系之外的参考系。也就是站的远远的看一架飞机相对于和这架飞机完全无关的飞行条件下的空气的音速比。当这个比值大于1的话,那么这架飞机就超过了音速。
至于音障是怎么产生的,咱们再复述一下吧:
最粗略的解释就是当飞机达到声音的速度的时候,所遇到的阻力就大幅度增加。甚至在很久以前,人们曾经有一点时间认为在空气中飞行的飞机是无法超越音速的。但随即就被射出的子弹能够超越音速的现象所打破认知。
这是当年空气动力学上的一个矛盾点和疑点。
后来通过不断的对超音速飞机的研究过程中发现了激波的特性,才得以利用激波代替机翼所产生的升力使飞机在空中飞行。
但问题来了,飞机真的超越了音速吗?其实并没有!
这就得看参考系了,如果测量飞机边上静止大气的音速,那么飞机的确超越了音速。但如果测量飞机前部被飞机压缩的空气音速,则飞机速度一定小于这一小团空气的音速。
当然了,如果空气是一种理想气体,那么飞机的速度可以飞到几乎无限。
为什么声速不可超越?其主要原因在于,“波”是物体中能传递最快的形式。
甚至固体本身的运动,我们也可以认为是一种波动行为。——施加力固体形产生波动,整个物体在波动下不断开始延展运动。
这里我们可以举个简单的例子,假如有一个AB两端长度为5200米的钢柱,在A短点施予一个足够大的使钢柱可以运动的力量,但是在B点则需要至少一秒后钢柱子的B点才会向受力方方向移动。
原因——钢传播声音(机械波)的速度是5200米/秒。
首先,水传播声音(机械波)的速度大约是1400米/秒,如果在水中想超越水传播声音的速度,则需要极大的能量使水压缩,进一步提高水内音速。但是由于水的不可压缩性会导致这个能量极大,而相对于空气来说那么就是太过于容易压缩所以并没有耗费“太大”的能量。
并且由于如果增加水的内能,那么水会相变。简单的说就蒸发为水蒸气。
如果在水中高速的运动,当能量足够大的时候,实际上还没有达到水内音速,水就会由于内能的增加而变为蒸气,形成——空泡。在“空泡”的包裹下这个物体的运动速度就有点超乎想象了。
俄罗斯有一种空泡鱼雷,实际上是利用额外的头部机构高速旋转产生的空泡。可以达到300节的水下速度,也就是差不多一秒154米。这实际上就又是一种音速了。
如果还不理解这个问题可以再继续查询一下螺旋桨空泡的概念。
实际上造成螺旋桨腐蚀的空泡激波也是超音速产生的,只不过这个150多米/秒的音速是——纯水气内的音速。
再深入讲就得扯到德布罗意了,估计大家也会真心的不爱听啦。
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音障的本质就是被压缩的介质无法及时扩散出去。水与空气一样,都是流体,所以水中的超音速物体同样会有音障的问题,只不过水中的阻力更大些。为了弄清楚这个问题,我将从音速、声音传播原理入手,由浅入深,逐步揭开这个谜题。
1、声速/音速
顾名思义,就是声音的传播速度,这个速度跟介质有关,在空气中我们通常取340m/s。声速的公式如下,其中B为不可压缩率,ρ为密度。由此可见,声速随密度增加而减小,随不可压缩率增加而增加。
尽管,水的密度大于空气的密度,但是水更加不可压缩,分子更大,因而声音在水中传播的速度更快,约1500m/s,是空气的4.4倍。根据这个公式,假如物体完全不可压缩(刚体),那么声音在其中的传播速度为无穷大。当然,刚体是不存在的,物体的密度也不可能为零,所以音速也不可能无穷大。
2、声音传播的原理
根据音速的公式,音速跟介质有关。那么声音到底如何传播的呢?实际上,声音的传播靠的是发声物体的振动,压缩附近的介质,然后以波的形式往外扩散,这就是声音传播的原理。由此开见,声波是一种纵波,其扩散(传播)方式如下图所示。
维基百科:声音是一种波动,当演奏乐器、拍打一扇门或者敲击桌面时,声音的振动会引起介质——空气分子有节奏的振动,使周围的空气产生疏密变化,形成疏密相间的纵波,这就产生了声波,这种现象会一直延续到振动消失为止。
3、音障/音爆
飞行器在飞行过程中,飞机前端一直在压缩空气,如下图所示。越靠近机头,空气压缩的越厉害。显然,飞机飞行速度越快,前端空气也压缩的越厉害。
如果飞行器速度没有超过音速,那么前端空气的压缩可以较为容易的扩散出去。也就是说飞行器飞行过程中产生的声音能够及时的扩散出去(音速)。但是,如果飞行器速度接近音速,此时飞行的速度接近声音往外扩散的速度。飞行器前端积累了大量的无法及时扩散出去的声波,空气压缩的非常厉害。这部分无法及时扩散的声波,就会在飞行器前端形成一个类似于“屏障”之类的存在,这个空气屏障的压强、温度、速度、密度等参数都与附近其他空气不一样。这个屏障就是激波,下图就是飞机突破音速时产生的激波。激波的存在,造成了飞行器阻力大增,所以这种由于速度提升到音速而造成的障碍,称之为音障。
飞行器进入超音速,形成激波面,正如前所述,这个激波面是高度压缩的空气,能量巨大,也是声学能量的高度集中面,称之为音锥,会听到短暂而强烈的声音,就是俗称的音爆了。
实际上,激波肉眼是无法看到的。我们之所以能够看见超音速飞机形成的锥形的“激波”,是由于对空气的加压加速,造成水汽凝结。这个效应称之为:“普朗特-格劳厄脱凝结云”。它其实代表的是空气的可压缩性。
4、水中的音障
通过第三部分的介绍,我们已经知道出现音障的原因就在于被压缩的介质无法及时扩散出去,在水中当然也会存在这种现象。但是,声音在水中的传播速度为1500m/s,即水介质的压缩扩散传递的速度为1500m/s,远高于空气的340m/s。
流体中高速运动的物体受到的阻力如下图,对于不同的流体,密度越大阻力也越大。水的密度为1000kg/m3,空气密度1.3kg/m3,几乎相差1000倍。如果其他条件都相同,那么在水中的阻力是空气阻力的1000倍。
目前能搜索到的高超音速飞行器已经达到了26马赫数(音速的26倍),但是这个是航天器,在高轨道运行,空气密度小,阻力自然也小,同样的发动机,实现的速度就越高了。在大气层中的高超音速飞行器最快的是美国的X43,达到了9.6马赫数,不过这个也在大气层边缘。实际上飞的越低,由于空气密度越大,想要实现超音速付出的代价也就越大。
因此,在密度是空气1000倍的水中,其难度无疑也相应的增加了1000倍。这还不算水中想要实现音障的速度是空气的4.4倍。所以整体上,水中音障的难度是空气音障的4400倍。目前,应该没有相应的发动机可以提供足够的动力。
5、总结
通过这篇回答,我们已经知道了声音传播的基本原理,也清楚知道音障其实就是介质的压缩得不到及时的释放,从而不断地积累。那么在水中,理论上同样存在音障的现象。但是由于声速在水中的传播速度是空气的4.4倍,密度是空气的1000倍,想要在水中实现音障,需要有非常巨大的发动机,这正是目前所欠缺的。
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这个问题,我从侧面回答一下:水会消失!
通俗来说,物体速度超过音速,即会产生音障,就是说你的移动速度比你发出的声音还要快。(下面是突破音障的实际照片)。
音爆能量巨大,以昔日的超音速协和客机为例,16000米以两倍音速飞行的协和客机,突破音障产生的压力高达100帕,这个力大致约为对一块一平米的玻璃施加10公斤的力。因此不难解释,为什么经常有飞机震破建筑玻璃的报道了。
也可以把这个能量换算成声强,约133分贝。
市场上唯一的超音速协和客机,也因为这个破坏力和居高不下的运营成本,在2003年退出市场。
物体运行速度接近音速时,会有一股强大的阻力,使物体产生强烈的振荡,速度衰减。这一现象被俗称为音障(Sound Barrier)。
突破音障时,由于物体本身对空气的压缩无法迅速传播,逐渐在物体的迎风面积累而终形成激波面,在激波面上声学能量高度集中。这些能量传到人们耳朵里时,会让人感受到短暂而极其强烈的爆炸声,称为音爆(Sonic Boom)。
下面回到我们这个问题,声波在水中的传播速度比空气传播要高得多,大约是1450米每秒。比空气声速340要快4倍多。
也就是说我们的飞行物要达到5220km/h,与光速大约相差5个数量级。
假设全部的条件符合,物体这个速度在水下游泳时,水被挤压的体积根本无法排开!!!只能在瞬间产生极大的热量,以至于接近这个质能公式E=mc2。(能量=物体质量变化乘以光速的平方)
这个热量会在一瞬间摧毁他附近的一切!包括这个飞行的物体。所以可能现实情况就是一个大爆炸,具体过程根本人力察觉不到。
拿普通氢弹原子弹的爆炸来说,其实爆炸中心就是有可能实现这个问题的,爆炸开来的微观粒子,在某些介质,如一个水分子中,实现这个突破音障的飞行。不过因为是微观粒子,所以可能察觉不到什么变化。也或许我们常见的水分子,在这个粒子高速冲击下,形成重水,超重水。
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▍➷物体运动速度超过空气中的音速会产生音爆,那要是在水中运动超过水里的音速会怎么样呢?
水和空气有些不同,水很难被压缩。现实中可以参考的例子就是子弹在水中的行进。一般的子弹出膛速度都是超音速的,我们可以看到子弹在水里产生了好像爆炸一样的效果。
所以根据我流体力学差点挂科的水平来看,在水中超音速也是把周围的水推开,就好像以超音速打进去类似固体或者泥巴之类的目标一样。
除此之外,我目前唯一可以想到的东西就是超空泡鱼类了。这东西可以在水中超过音速,产生的效果如下。
超空泡鱼类实际上是把水推开,自己在没有水的环境下移动。那么这东西即使在水中的空气产生了激波,那也是会被周围的水给推回来。所以在水中突破音障的效果没有在空气中那么好看。况且在空气中也需要在突破音障的时候以及周围空气潮湿的时候才有音爆云。超音速突破音障之后也就那样,没什么好看的。
根据不可靠消息称,德国的超空泡鱼类已经可以达到800公里每小时,想想就刺激,这东西目前应该没有任何拦截或者防御手段。
▍∯物体运动速度超过空气中的音速会产生音爆,那要是在水中运动超过水里的音速会怎么样呢?
在水中不可能达到音速
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