Mach-Zahl

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Die Mach-Zahl (Formelzeichen: \mathit{Ma}) ist eine dimensionslose Kennzahl der Strömungslehre für Geschwindigkeiten. Sie gibt das Verhältnis der Geschwindigkeit v (bspw. eines Körpers oder eines Fluids) zur Schallgeschwindigkeit c des umgebenden Fluids an. Benannt ist sie nach dem Physiker und Philosophen Ernst Mach.

Definition[Bearbeiten]

Es gilt:

\mathit{Ma} = \frac{v}{c}.

Wobei man die Schallgeschwindigkeit c in Gasen allgemein einsetzen kann, was auf den folgenden Ausdruck führt:

\mathit{Ma} = \frac{v}{\sqrt{\kappa R_S T}}.

Darin stellen \kappa den Isentropenexponent, R_S die spezifische Gaskonstante und T die Temperatur für das betrachtete Gas (z. B. Luft) dar. Es sei angemerkt, dass der Isentropenexponent \kappa auch für ein spezielles Fluid eine Funktion des Drucks p und der Temperatur T darstellt. In einem gewissen Bereich kann er aber als konstant angenommen werden, was als Näherungslösung in den meisten Fällen hinreichend ist. Unter Machzahl=1, umgangssprachlich auch „Mach 1“, versteht man somit die Schallgeschwindigkeit (die für ein bestimmtes Medium in guter Näherung nur von der Temperatur abhängig ist). Entsprechend lassen sich „Mach 2“ (die doppelte Schallgeschwindigkeit), Mach 3 usw. ebenfalls nicht in „genaue“ Geschwindigkeiten umrechnen, ohne die Bezugsschallgeschwindigkeit zu kennen.

Mittels der Mach-Zahl lassen sich aber Strömungen in verschiedene Bereiche aufteilen, etwa:

Ab \mathit{Ma} > 5 spricht man auch von hypersonischer Strömung.

Diese Bereiche erfordern verschiedene Lösungsansätze, da für die Bereiche jeweils andere physikalische Phänomene auftreten. Beispielsweise treten für \mathit{Ma} > 0{,}3 kompressible Effekte in den Strömungen auf (kompressible Strömung), während solche Effekte im Regelfall für \mathit{Ma} < 0{,}3 keine Rolle spielen (inkompressible Strömung).

Luftfahrt[Bearbeiten]

In der Luftfahrt wird die Mach-Zahl zur dimensionslosen Angabe der Fluggeschwindigkeit schnell fliegender Flugzeuge verwendet. Sie ist das Verhältnis der Fluggeschwindigkeit zur Schallgeschwindigkeit in der Luft und wird von einem speziellen Fluginstrument, dem Machmeter, angezeigt.

Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit (im Medium Luft)
Temperatur Schallgeschwindigkeit
−50 °C 1076 km/h ≈ 299 m/s
000 °C 1193 km/h ≈ 331 m/s
020 °C 1235 km/h ≈ 343 m/s
025 °C 1245 km/h ≈ 346 m/s
100 °C 1394 km/h ≈ 388 m/s
250 °C 1652 km/h ≈ 459 m/s

Bei einer Temperatur von −50 °C (üblich in ca. 10.000 m Flughöhe) beträgt die Schallgeschwindigkeit 299,8 m/s = 1079,3 km/h. Ein Passagierflugzeug, das mit einer Reisegeschwindigkeit von Mach 0,85 unter diesen Bedingungen fliegt, hat eine Geschwindigkeit von 254,83 m/s = 917,39 km/h.

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  •  Ernst Götsch: Luftfahrzeugtechnik. Einführung, Grundlagen, Luftfahrzeugkunde. Motorbuch-Verlag, Stuttgart 2003, ISBN 3-613-02006-8.
  •  Michael Grossrubatscher: Pilots reference guide. 7., revidierte Auflage. Eigenverlag des Autors, München 2008, ISBN 978-3-00-025252-5 (englisch).

Weblinks[Bearbeiten]