为何飞行器使用马赫而非公里来描述速度？马赫究竟有多快？
当我们谈论飞行速度时，我们经常听到一个神秘的单位——马赫（Mach）。与公里或英里不同，马赫是以声速为基准来衡量的。所以为什么飞行器要选择马赫而不是常见的公里呢？这是因为在空气中飞行时，飞行器的速度与声速之间的关系至关重要。马赫数可以告诉我们飞行器相对于声速的快慢，因此成为了飞行速度的国际标准。那么，马赫究竟有多快呢？让我们一起揭开飞行世界中的神秘面纱，发现马赫速度背后隐藏的惊人事实。
马赫速度的定义与起源：音速的单位
马赫速度是一个用来衡量物体运动速度的单位，它的定义是物体的速度与介质的声速相比较所得到的无量纲数值。马赫速度的起源可以追溯到奥地利科学家恩斯特·马赫。
在19世纪末，马赫开始对声音行为的研究产生了极大的兴趣。当时人们认为声音是“音波”的传输，而对于物体在空气中运动的速度，受到了马赫的关注。马赫在实验中观察到，当物体运动速度超过介质中的声速时，会出现一种特殊的效应，即“马赫锥”。
所谓“马赫锥”，是一种锥形的云霞状现象，当物体移动得越快，马赫锥越明显。通过观察这种现象，马赫得出了一个重要结论，即当物体的速度达到声速的时候，它所造成的压力波将无法继续从物体传播，而是堆积在一起形成了马赫锥。
基于这个结论，马赫提出了一个新的理论，即物体移动时，不仅会产生声音，还会引起压力的变化。他进一步用实验验证了这个理论，并得出了一种计算物体速度的方法。他将物体速度与介质中的声速相除，得到的无量纲数值就是马赫数。
马赫速度的引入具有重要的意义。在航空航天领域，马赫数是衡量飞行器速度的常用单位。当飞行器的速度达到声速的一倍时，马赫数为1，即马赫1，表示超音速。当马赫数大于1时，即表示飞行器超过了声速，速度更快，被称为超音速飞行。
音速和马赫速度的区别在于，音速是介质中声波传播的速度，而马赫速度用来衡量物体在运动中相对于介质的速度。马赫速度的引入不仅对航空航天工程有重要意义，还对其他领域的研究具有影响力。例如，在物理学和工程学中，马赫速度被广泛应用于研究高速飞行、空气动力学、爆炸等问题。
为何飞行器使用马赫描述速度：与空气密度有关
空气密度是指在特定条件下单位空间内所含空气的质量。它受到温度、压力和湿度等因素的影响。随着海拔的增加，空气的密度逐渐减小，就像在高海拔地区呼吸变得困难一样。在飞行中，空气密度的变化将对飞机的性能和飞行特性产生直接影响。
马赫数的定义中，声音速度是一个重要的参考值。在空气中，声音的传播速度取决于气体的物理性质，特别是气体的密度。当飞行器的速度接近或超过声音速度时，空气的压缩变得显著，由于飞行器的高速运动，空气密度会随之发生变化。这意味着高速飞行器在压缩空气中需要面对一系列特殊的物理问题和挑战。
飞行器的设计和性能需要考虑到这些挑战。例如，随着马赫数的增加，空气动力学特性会发生显著变化。气动力学是研究物体在气体中运动的科学，涉及到空气力、阻力、扬力等因素。当飞行器以超音速运行时，空气动力学效应会增加，空气中的压力和温度变化也会更加显著。因此，对于高速飞行器的设计和操作，了解和考虑马赫数非常重要。
空气密度的变化也会对飞行器的推进系统和航空器的燃料效率产生影响。随着海拔的增加和空气密度的减小，发动机效率可能会下降，需要额外的推力来维持飞行。这对于航空器的燃料消耗和航程距离等方面都会产生重要影响。因此，了解空气密度对飞行器能效的影响，对于设计高效的飞行器和提高航空技术水平至关重要。
马赫速度与声音传播速度的关系：超越声音的速度
马赫速度和声音传播速度之间存在着紧密的关系。声音是在介质中传播的机械波，其传播速度取决于该介质的密度和弹性模量。在常温常压条件下，空气中声音的传播速度大约为343米每秒。
马赫速度则是指物体移动速度与声音传播速度之比。简单来说，当物体的速度超过声音传播速度时，就达到了超音速状态，也称为马赫速度。
超音速的物体在传播过程中会生成激波，这也是超音速飞行产生“轰隆”声的原因。当物体以超音速运动时，声音无法及时逃离物体周围的气流，形成了压缩的冲击波，激波传播的过程中会引起压力和温度的突变，从而产生震耳欲聋的声音。
超音速飞行器的发展带来了许多突破性的技术和应用。例如，高超音速飞行器的研究对于军事、航空航天等领域都具有重要意义。超音速飞行器的速度较高，可以更快地到达目的地，减少旅行时间。此外，超音速飞行器还可以避免地面防御系统的拦截，增加战术上的不可预测性。
然而，超音速飞行在实践中也面临着一系列挑战和限制。首先，超音速飞行产生的激波会对飞行器本身和周围环境造成损坏和干扰。此外，超音速飞行器在穿越大气层时会遇到阻力增加的问题，需要消耗更多的能量来维持飞行。这也是为什么超音速旅行目前仍然较少应用于商业航空领域的原因之一。
近年来，随着科学技术的不断进步，人们对于超音速飞行的研究和应用也在不断推进。例如，超音速列车的概念被引入到高速铁路领域，以提高交通运输效率。另外，超音速飞行器的设计也在追求更高的速度和更低的阻力，以降低能源消耗和环境污染。
马赫数作为衡量飞行速度的单位，不仅令人印象深刻，而且彰显了飞行器的高性能和技术进步。然而，对于一般读者来说，马赫数的具体数值可能较为抽象。因此，我们需要更多的科普和解释，以便读者更好地理解和欣赏飞行器的壮丽飞行。请大家在评论中分享你对马赫数的认识和感受。
校稿：浅言腻耳