怒了：马赫是比值不是单位？到底是谁读书读傻了？

导语：

本来早晨起来寻思着给大家继续讲炸药的，但是看到了这篇留言：

有人说：“马赫是比值不是单位？你是读书读傻了吧，马赫存在的意义就是做速度的单位。”

说实话看到这样的留言W君都要哭出来了。科普的路啊其慢且长……

大家知道马赫是描述声速的一个量，但这个“量”不是单位。

要知道“马赫（Mach）”到底是什么，我们得从声音的传播来说起了。

首先，第一个要知道的事情是——声音的传播是需要介质的。这是由于声音的本质是一种机械波。声音是由于机械振动导致的介质不断被压缩和扩张而传播开来的。

如果我们截取声音传播路径上的一截空气，进行微观观察，就会发现这一截空气的密度随着声波行进的方向做出疏密的周期变化，两个最密或者最疏的点之间的距离就是声波的波长，同一个点完整的一次疏密变化的周期就是声波的频率。

放在开放空间内来看，就是声音从音源向四面八方传播了。

所以说声音在空气中传播，实际上是依靠机械能来压缩和舒张空气来完成的。其本质是空气的“弹性”，压得紧的区域气压变大，舒展的区域气压变小，被压紧的空气不能被无限压缩，达到一个不可继续压缩的点后空气会反弹，也正因为如此声音传播的速度是和空气的密度有直接关系的。但是我们在谈到气体热力学的时候相同密度的空气如果温度不同压力也是不同的，这时候我们也可以推定声音传播的速度和空气的温度也有关系。

这两点决定了在某一种空气环境下，空气中声速的的计算公式就是 声速=空气的不可压缩率和空气压力的比值的平方根。

对于温度到声速的影响我们可以以标准大气压下0摄氏度的声速按照 c=331.6+0.6T的算法算出来通过温度修正的声速。

知道了声速，我们来脑补一个现象：当一个物体在空气中运动的时候，如果运动速度恰恰等于声速，这时候会发生什么事情？

物体的运动也会压缩运动前端的空气，而这种压缩所积累的能量仅仅能依靠声音的传播速度向四面八方传播释放出去。而如果物体的运动速度等于零空气传播能量的速度，那么在物体运行前端的的能量就不能被释放，这时候物体前端的空气由于“不可压缩”的特性就形成了一个压强、温度、速度、密度等物理性质的一个突变面——激波面。

这时候，这个物体就遇到了音障。

音障为什么大幅度增加飞行阻力呢？这是因为原本可以依靠气压排开的空气，需要在压缩状态下被赋予动能向四周激射而出，这些气体的动能是需要靠飞机的动能来赋予的（要始终记得能量守恒原理），这时候所体现的就是飞机所遇到的阻力大幅度增加了。

那么回到开头的问题，“马赫”到底是什么？马赫甚至不能说是一个速度。

马赫是指边界气流速度和局部声速的比值。

m=u/c

这个东西有什么意义呢？其实最大的意义在于为了计算和研究方便，也为了操作方便。但真没有人拿它做速度单位。原因就是因为马赫数是一个无量纲量，原因也在于声速可变。

在地球不同的海拔高度上声音的速度是不一样的！例如上图：声速（蓝色）仅取决于高度（红色）的温度变化，并且可以从中计算出来，因为孤立的密度和压力对声速的影响相互抵消。在平流层和热层这两个区域，由于这些区域的加热效应，声速会随着高度的增加而增加。

尤其在1-10000米海拔高度上声音的速度变化尤其剧烈。而我们的地球是一个固定不变的物体，在地球上两点间的距离也是基本不变的。这就导致了如果用马赫数作为速度单位到不同的地点上由于飞行高度的不同也会导致最终的时间计算不同。例如马赫1.5，到底是每秒钟510米还是每秒钟433米？随着高度和温度不同，这两个速度都是马赫 1.5。如果以此来报告速度就有点含糊了。

其实大部分飞行器都计算空速和地速。这些计算单位就是节（Knot，海里/小时）。

用节作为飞行速度单位在调度和理解上也就更加方便了。

但马赫数的意义在于，它表现的是与声速的比值，气流的物理特性是和声速严格关联的。而计算研究和超音速飞机的具体操作就需要考虑气流的物理特性。在这方面用马赫数就更方便了。

例如SR-71的引擎进气锥，在不同的马赫数下伸出的长度是不同的。例如在马赫3以上的时候要缩短到最后。在这种操作的时候，你告诉飞行员每秒1020米进行这样的操作似乎不合适吧？

其实在飞行员飞行的时候很少用到马赫表，大部分马赫表都和空速表合并在一起，更多的还是在空速。

即便是有的战机带有马赫表，其实“马赫数”的显示也并不是在表上的主要位置。

所以说，马赫作为速度单位真不是这样的。

但为什么大家觉得马赫是速度单位，甚至出来 “1.8马赫”这样的错误写法呢？主要是因为大家的一个习惯，对无量纲量的运用太少所致。其实生活中有很多无量纲量。例如拍照的时候光圈的大小f，如果在聊摄影的时候说光圈大小是 “2.8f” 而不是“f 2.8”是不是会被摄友们耻笑呢？“马赫”也是一样的。