بیوگرافی ارنست ماخ

متولد ۱۸ فوریهٔ ۱۸۳۸

برنو، امپراتوری اتریش

مرگ ۱۹ فوریهٔ ۱۹۱۶ (۷۸ سال)

مونیخ، امپراتوری آلمان

ملیت اتریشی

تبار فیزیک

محل کار دانشگاه گراتس

دانشگاه کارلف

دانش آموختهٔ دانشگاه وین

دلیل شهرت عدد ماخ

دین بی خدا

ارنست والدفرید یوزف ونتسل ماخ (به آلمانی: Ernst Waldfried Josef Wenzel Mach) فیلسوف مشهور و فیزیکدان برجسته اتریشی در قرون نوزدهم و بیستم میلادی.

زندگی ارنست ماخ

در توراس، زاده شد. او که در مکانیک کلاسیک، دارای تئوری‌های ارزشمندی است، در شمار پیشگامان نظریه آلبرت انیشتین در مورد ایجاد مکانیک نسبیتی، جای دارد و نظریات خود را در دو جلد، به نام علم مکانیک، منتشر کرد.

ماخ، کرسی تاریخ و نظریه علم استقرایی در دانشگاه وین را بر عهده داشت. کار عمده او پرورش بیشتر تجربه گرایی بارکلی و هیوم بود.

پس از اتمام تحصيلات خويش به تدريس پرداخت. ماخ در اين هنگام به انتقاد از اصول مكانيک كلاسيک مشغول شد و تئوري ‏های جديدی وضع كرد كه به نام خود او معروفند. وی در زمينه فيزيولوژی و روانشناسی احساس‏ های انسان و به ويژه رابطه آن‏ها با نظريه علم نيز دست به تحقيق زد. ماخ يكي از بنيان‏گذاران مكتب امپيريوكری تيزيسم به شمار می ‏رود كه بر اساس آن فلسفه واقع‏ بينانه مبنی بر تجزيه و تحليل احساس‏ ها و عواطف انسانی می ‏باشد.

هرچند كه ماخ در علم فيزيک صاحب‏ نظر و استاد بود، با اين حال، بيشتر به عنوان فيلسوف علم شهرت دارد. وی معتقد بود هر نظريه علمی كه اشاره ‏ای به اشيايى داشته باشد و نتوان آن‏ها را به تجربه ‏های حسی باز گرداند، مردود است. در اين حال، ماخ اين اعتقاد را دارد كه علم بايد از مفاهيمی هم‏چون مكان مطلق و زمان مطلق چشم بپوشد. اين جنبه از آرای ماخ، در آلبرت انيشتين فيزيكدان شهير قرن بيستم تاثير فراوان داشته است.

اندیشه

به اعتقاد ارنست ماخ، در علم، تنها باید از واژگانی استفاده شود که به صورت تجربی قابل مشاهده‌اند و نمی‌توان در نظریه‌های علمی، از واژگانی مانند میدان الکتریکی استفاده کرد. گاهی از این دیدگاه، به عنوان تجربه گرایی خام، یاد می شود.

نخستین فیلسوفان علم و بیشتر فیزیک‌دانان و ریاضی‌دانانِ متمایل به منطق و فلسفه، از ماخ، پیروی نکردند.

مرگ

ارنست ماخ در روز ۲۹ اکتبر ۱۹۱۶ (میلادی) درگذشت.

آشنایی با عدد ماخ

عدد ماخ از نام ارنست ماخ، فیلسوف و فیزیکدان چک – اتریشی تبار گرفته شده است.عدد ماخ بیشتر به عنوان یک کمیت بدون اندازه شناخته می شود تا یک واحد اندازه گیری، به این خاطر عدد در هنگام همراه بودن با کلمهٔ ماخ، بعد از آن قرار می گیرد.

برای نوشتن دو ماخ به جای ۲ ماخ (2 mach)، شکل ماخ 2 (mach2) بکار برده می شود. این کلمه تا اندازه ای یادآور واحد قدیمی ژرفاسنجیمدرن اقیانوس مارک مترادف قولاج است که زودتر از ماخ بوجود آمده و احتمالاً بر استفاده از واژهٔ ماخ تاثیر گذارده است. یک دهه قبل از انکه انسان سریعتر از صوت پرواز کند، مهندسان هوانوردی برای اشاره به سرعت صوت از کلمهٔ عدد ماخ استفاده می کردند، نه ماخ.

بررسی ابعادی

عدد ماخ هم برای اجسام پرسرعت در حال حرکت در یک سیال و هم برای جریانات سیال پرسرعت در کانال هایی مانند نازل ها(nozzles)، پخش کن ها(diffiusers) یا تونل های باد مورد استفاده قرار می گیرد. از آنجایی که این عدد نسبتی از دو سرعت است، یک عدد بدون بعد محسوب می شود.

در دمای ۱۵ درجهٔ سلسیوس، سرعت صوت در جو زمین برابر است (761.2mph, 340.3m/s). سرعتی که بوسیلهٔ عدد ماخ نشان داده می شود یک عدد ثابت نیست. برای مثال این سرعت به دما و ترکیب جوی بستگی دارد. صرف نظر از ارتفاع، این سرعت در استراتسفر هوا کره ثابت باقی می ماند، اگرچه فشار هوا با تغییر ارتفاع تغییر می کند.

آشنایی با عدد ماخ

وابستگی به دما

از آنجایی که سرعت صوت همواره با افزایش دما، افزایش پیدا می‌کند، سرعت واقعی یک شی که با سرعت یک ماخ حرکت می‌کند به دمای مادهٔ سیال اطراف آن بستگی خواهد داشت.

عدد ماخ به این دلیل مفید است که مادهٔ سیال در یک عدد ماخ مشابه، به شکل مشابهی رفتار می کند. بنابراین هواپیمایی که با سرعت یک ماخ بر سطح دریا پرواز می کند، موج شوک را به همان شکل دریافت می کند که اگر با سرعت یک ماخ در ارتفاع ۱۱۰۰۰ متری پرواز می کرد، دریافت می کرد، اگر چه که با سرعت (295m/s,654.6mph ) سرعت اش بر سطح دریا ) پرواز می کند.

جریان پرسرعت در اطراف اشیاء پرواز را می توان به طور غیر دقیق در ۵ دسته طبقه بندی کرد:

– زیرصوت (Subsonic):

M <Mcri

– نزدیک صوت (Transonic):

– صوت (Sonic)

M = ۱

– بالای صوت (۱ <M <5 :(Supersonic

– مافوق صوت (M> 5 :(Hypersonic

برای مقایسه: سرعت مورد نیاز برای مدار پایین زمین در هوا و ارتفاع بالا تقریباً km/s5/7=4/25 M است. سرعت نور در خلاء تقریباً برابر است با ۸۸۰۰۰ ماخ.

در سرعت بالای صوت، میدان جریان اطراف شی، هم شامل بخش های پایین صوت و هم بالای صوت می شود. محدودهٔ زمانی بالای صوت زمانی آغاز می‌شود که اولین نواحی جریان M>۱ در اطراف شی پدیدار می شوند.

در صورت وجود یک ایرفویل (مثلاً یک بال هواپیما) این اتفاق معمولاً در بالای بال اتفاق می افتد. جریان بالای صوت فقط در یک شوک معمولی می تواند به زیر صوت کاهش پیدا کند، این اتفاق معمولاً قبل از رسیدن به لبهٔ پشتی رخ می دهد.

همزمان با افزایش سرعت، نواحی جریان M>۱ بر روی لبهٔ پشتی و جلویی نیز افزایش می یابد. وقتی سرعت به M=1 برسد و از آن بگذرد، شک معمولی به لبهٔ پشتی می رسد و به یک شک ضعیف و غیرمستقیم تبدیل می شود. جریان بعد از شک کاهش پیدا می کند اما همچنان در محدودهٔ بالای صوت باقی می ماند. یک شک معمولی در جلوی شی بوجود می آید و، تنها ناحیهٔ زیرصوت در میدان جریان، یک محدودهٔ کوچک در اطراف لبهٔ پشتی شی است.

1- عدد ماخ در جریان هوای بالای صوت در اطراف یک ایرفویل، M<1 (a) و M>1 (b).

زمانی که یک هواپیما به سرعت یک ماخ می رسد، یک تفاوت فشار بزرگ درست در مقابل هواپیما ایجاد می شود. این تفاوت فشار ناگهانی موج شوک نامیده می شود که به سمت عقب و به بیرون از هواپیما پخش می‌شود و شکلی شبیه یک مخروط دارد (مخروط ماخ).

این موج شوک باعث ایجاد انفجار صوتی می شود که هنگام عبور یک هواپیما با سرعت زیاد از بالای سر یک شخص شنیده می شود. شخص درون هواپیما این صدا را نخواهد شنید. هرچه سرعت بیشتر باشد مخروط هم باریکتر خواهد بود و بعد از رسیدن به M=۱ دیگر کمتر شبیه یک مخروط است، بلکه بیشتر شبیه یک صفحهٔ تقریباً مقعر است.

در سرعت کاملاً بالای صوت، موج شوک شروع به تشکیل شکل مخروطی خود می‌کند و جریان هم کاملاً بالای صوت است، یا (در صورت بدون نوک بودن شی) فقط یک محدودهٔ جریان زیرصوت خیلی کوچک بین دماغهٔ شی و موج شوک که در مقابل ایجاد می‌کند، باقی می ماند (در صورت نوک تیز بودن شی، هیچ هوایی بین دماغه و موج شوک وجود ندارد، موج شوک از خود دماغه شروع می شود).

هم زمان با افزایش عدد ماخ، قدرت موج شوک نیز افزایش پیدا می‌کند و مخروط ماخ هم به طور فزاینده ای باریک می شود. با عبور جریان سیالاز موج، سرعت آن کاهش پیدا می کند و دما، فشار و چگالی افزایش می یابد.

هرچه شوک قوی تر باشد، تغییرات هم بزرگتر خواهد بود.در عدد ماخ بسیار بالا پس از شوک دما آن قدر افزایش پیدا می کند که تجزیه یونی و تفکیک مولکول های گاز در پشت موج شوک شروع می شود. چنین جریان هایی مافوق صوت نامیده می شوند.

واضح است که هر شئی که با سرعت مافوق صوت حرکت می کند نیز در معرض همان دمای شدیدی قرار می گیرد که گازهای پشت موج شوک دماغه در معرض آن قرار می گیرند، و از این رو انتخاب مواد مقاوم در برابر گرما اهمیت می یابد.

زندگینامه ارنست ماخ

جریان پرسرعت در یک کانال

زمانی که یک جریان در یک کانال ازM=1 عبور کند، بالای صوت می‌شود، یک تغییر بزرگ هم رخ می دهد.به طور معمول انسان توقع دارد که با منقبض کردن کانال سرعت جریان افزایش پیدا کند.در سرعت زیر صوت این موضوع صحت دارد، اما زمانی که جریان بالای صوت شود، رابطهٔ محدودهٔ جریان و سرعت برعکس می شود.

در واقع بسط دادن تونل سرعت را افزایش می دهد. نتیجهٔ کلی این است که برای رساندن یک جریان به سرعت بالای صوت یک nozzle همگرا – واگرا لازم است که در آن بخش همگرا سرعت جریان را به سرعت صوت، M=1، برساند و بخش واگرا این افزایش سرعت را ادامه دهد. چنین nozzle هایی را de Laval nozzles می نامند و در شرایط خاص آنها قادر به دست یافتن به سرعت های مافوق صوت باورنکردنی ای هستند (۱۳ماخ در سطح دریا)

ماخ متر یا سیستم الکترونیکی اطلاعات پرواز(EFIS) یک هواپیما می تواند عدد ماخ مشتق شده از فشار ایستایی و فشار ساکن را نشان دهد.