Barile David 4^ A costruzione Il numero di Mach Definizione e utilizzo: Numero adimensionale utilizzato in fluidodinamica. Il numero di Mach (Ma) è un numero adimensionale definito come il rapporto tra la velocità di un oggetto in moto in un fluido e la velocità del suono nel fluido considerato. Il nome deriva dagli studi del fisico e filosofo austriaco Ernst Mach. Il suo utilizzo è di basilare importanza in fluidodinamica e in particolare in tutte le applicazioni aeronautiche, in cui viene considerato anche come una misura della velocità macroscopica. In fluidodinamica e aerodinamica viene utilizzato per definire il tipo di moto attorno a oggetti ad alta velocità (aerei, razzi), così come nel caso di flussi interni all'interno di ugelli, diffusori o gallerie del vento. Interpretazione fisica: Il numero di Mach permette di stabilire quanto siano importanti gli effetti di comprimibilità del fluido in esame. Quando infatti il valore del numero di Mach è ridotto al di sotto del valore 0,3 si commette un errore trascurabile considerando il valore della densità costante. • In fisica, il numero di Mach definisce il rapporto tra una velocità macroscopica e la velocità di propagazione delle onde longitudinali nel mezzo considerato. • In ambito aeronautico, per esempio Mach = 1 (in gergo aeronautico) significa viaggiare a una velocità pari a quella del suono, Mach = 2 al doppio della velocità del suono e così via. Al livello del mare in condizioni di atmosfera standard (corrispondenti a una temperatura di 15 gradi Celsius), la velocità del suono è 331,6 m/s (1.193,76 km/h, o 644,58 nodi, o 1116 ft/s). La velocità rappresentata da Mach 1 non è una costante; per esempio, dipende principalmente dalla temperatura. Poiché la velocità del suono aumenta all'aumento della temperatura ambiente, la velocità effettiva di un oggetto che viaggia a Mach 1 dipende dalla temperatura del fluido attraverso il quale l'oggetto passa. Il numero di Mach è utile perché il fluido si comporta in modo simile a un dato numero di Mach, indipendentemente da altre variabili. Quindi, un aereo che viaggia a Mach 1 a 20 °C a livello del mare sperimenterà le stesse onde d'urto di un aereo che viaggia a Mach 1 a 11.000 m a -50 °C, anche se il secondo aeromobile sta viaggiando solo all'86% della velocità del primo. Aerodinamica esterna: Il moto attorno ai corpi può essere classificato in sei diverse condizioni a cui corrispondono diversi comportamenti fluidodinamici, a seconda del numero di Mach locale: In regime transonico, il campo di moto include sia parti subsoniche sia supersoniche. Al crescere della velocità macroscopica, il regime transonico comincia quando appare la prima zona supersonica. Nel caso di un profilo alare, questo accade generalmente sul dorso dell'ala. Il flusso supersonico può decelerare solo con un'onda d'urto normale, prima del bordo d'uscita dell'ala. Al crescere della velocità asintotica (ovvero lontano dal corpo), la zona supersonica si estende verso il bordo d'uscita e il bordo d'attacco dell'ala. Quando la velocità macroscopica supera la condizione di Ma = 1 (muro del suono), l'onda d'urto normale raggiunge il bordo d'uscita, mentre davanti all'oggetto si crea un'ulteriore onda d'urto normale. Nel caso di regime ipersonico questa brusca variazione di tali grandezze può portare a fenomeni di ionizzazione e dissociazione delle molecole di gas. Aeronautica: Come premesso, il Mach in aeronautica viene utilizzato come unità di misura della velocità macroscopica. La definizione è data considerando il numero di Mach ottenuto calcolando il rapporto tra velocità del velivolo e velocità del suono per l'aria una volta che sia fissata la quota di volo. Il superamento della velocità del suono divenne una grossa sfida quando i motori aeronautici divennero sufficientemente potenti. Fra il 1930 e il 1940, il tentativo di superare questa velocità portò all'adeguamento delle prestazioni dei motori e della forma aerodinamica degli aeroplani. Gli aeroplani commerciali di linea viaggiano in genere poco sotto Mach 1, mentre la maggior parte degli aerei militari possono superarlo e arrivare a volte a Mach 2 o 3. Gli unici aerei di linea a volare in regime supersonico sono stati il franco-britannico Concorde e il sovietico Tupolev Tu-144. Velocità macroscopiche fino a Mach 10 sono state raggiunte da apparecchi sperimentali o dai lanciatori spaziali e dalle navette spaziali. Un aereo in volo a velocità transonica. La nuvola conica, dovuta alla condensazione dell'umidità presente nell'aria, causata dalla diminuzione di temperatura e pressione. Numero di Mach critico: In aerodinamica, il numero di Mach critico (o anche Mach critico inferiore) è la più bassa velocità della corrente indisturbata (espressa in funzione del numero di Mach) alla quale si manifesta sul profilo alare una zona dove la velocità del flusso è sonica (pari a Mach 1). Descrizione del fenomeno: Per un aeromobile, la velocità del flusso dell'aria attorno alle sue superfici non è esattamente pari a quella di volo. L'aria accelera e rallenta in funzione della geometria che incontra e, al numero di Mach critico, sono presenti zone in cui la velocità dell'aria è pari a quella del suono anche se la velocità di volo è inferiore a Mach 1. Il Mach critico dipende fortemente dalla forma del corpo e dall'angolo di incidenza con la corrente d'aria. Aumentando la velocità del flusso oltre il numero di Mach critico, la regione in cui la velocità è supersonica si estenderà a creare una "bolla supersonica" immersa in un flusso subsonico. Nella parte anteriore della bolla, a causa della geometria del profilo, nasceranno delle deboli onde di espansione attraverso le quali il flusso di aria accelera. Queste onde di espansione, incontrando la linea sonica che delimita la bolla nella parte superiore, verranno riflesse come onde di compressione attraversando le quali il flusso, invece, decelera. Queste onde di compressione, data la geometria del dorso del profilo, risulteranno convergenti, tendendo a coalescere sulla parete posteriore della bolla e dando origine ad un urto normale, a valle del quale la velocità torna subsonica. Aumentando ancora la velocità, l'urto s'intensifica e si sposta verso valle mentre la bolla supersonica continua ad estendersi. I profili alari sono generalmente asimmetrici e ciò comporta che sul ventre del profilo (usualmente più piatto) la bolla supersonica si sviluppi a velocità più elevate che per il dorso e che tenda a spostarsi più rapidamente verso il bordo di uscita del profilo. Per velocità prossime a Mach 1 gli urti sul dorso e sul ventre del profilo si ricongiungono al bordo di uscita e la bolla supersonica si estende per tutto il profilo tranne una piccola regione sul bordo d'attacco in cui il flusso rimane subsonico. A un Mach poco superiore a 1, la bolla supersonica sparisce (essendo ormai il flusso che investe il profilo supersonico) e compare un urto staccato davanti al corpo che crea una piccola bolla moderatamente subsonica al bordo d'attacco. Per questo motivo non esiste una chiara definizione di numero di Mach critico superiore del campo transonico, anche se la regione subsonica (assai limitata nell'estensione e destinata a ridursi rapidamente al crescere del Mach) genera effetti trascurabili sul profilo che può essere studiato come fosse effettivamente immerso in un campo di velocità completamente supersoniche.
