说到速度很多人都会想到百米飞人或者是高铁还有飞机等等，其实如今已知的速度中，音速是最快的。那你知道音速一秒多少米呢？地球的自转超过音速吗？一起去瞧瞧吧。

音速：音速约为每秒钟340米。1马赫=每小时1126公里,大概是一倍音速，马赫：超高速单位，物体运动的速度与音速的比值为马赫或马赫数。亚音速：速度小于1马赫。超音速：速度在1至5马赫间。高超音速：速度在5马赫以上。 马赫就是声速，1马赫=340M/S

飞行员在飞行的过程中常常会面对一个特别严峻的考验，那就是过载，即在飞行中，飞行员的身体必须承受的巨大的加速度。过载分为正过载和负过载，这些正或负的加速度通常以g的倍数来度量。9个G就是人体所能承受的极限，在一定时长内，瞬时过载的话,人体还能承受更高一些，另外高级特技飞行竞赛中,飞行员承受的过载可达正负10g。

当飞行速度超过3马赫时，飞机除了会遭遇音障之外，还会遭遇热障。因为飞机的飞行速度太快，机体表面会与空气发生剧烈的摩擦，摩擦会导致飞机的温度快速升高。

据说，当飞行速度达到3马赫时，飞机机头处的温度可以达到350摄氏度。一般的飞机，机身采用都是航空铝合金，而这个温度远远超过航空铝合金的承受温度，极有可能导致飞机解体，所以黑鸟侦察机的机身大量使用耐热性更好的钛合金。那么当飞行速度达到6马赫时，又会发生什么呢？

上世纪60年代，美国斥巨资研发出了X-15超高音速飞机，其理论飞行速度可以达到6马赫。但是在1967年10月3日的一次飞行实验中，X-15飞机曾飞出6.72马赫的速度，相当于7275公里每小时。根据推论，当飞行速度超过6马赫时，因为压强太小，飞行员会出现黑视现象，有时候甚至会导致飞行员死亡，所以X-15的飞行员必须身穿压力服。而且为了保证飞机不会因为温度升高发生故障，该机机体大量使用隔热材料。但是即使准备的如此周全，实验的结果依旧出乎了所有人的意料。

当飞机降落后，科研人员发现，X-15的尾翼已经被烧出了两个大洞，机身其它部位的蒙皮也出现融化现象，整架飞机就像从火场推出来的一样，飞机能顺利返回，已经实属万幸。所以为了保证飞行员的安全，直到今天，各国战机的最大速度依旧保持在2-3马赫之间。

解决噪声和音爆问题，高超音速飞机投入使用会遇到比超音速飞机更为严重的噪声和音爆问题，必须有效解决。

地球自转超了音速！

毛泽东在他《七律二首·送瘟神》一诗中写下“坐地日行八万里，巡天遥看一千河”。诗人提及的“一千河”是虚指，形容浩瀚宇宙中有许许多多像银河系这样的星河；而“八万里”则是实数，指的是地球自转一天中赤道行进的里程。

坐地日行八万里，地球转得很快

地球赤道的周长大约是40076公里，地球每24小时自转一周，你在赤道坐着不动也随之“行进”了80152里路，每小时前进1670公里，也就是说你每秒钟要“走”464米！

声音在海平面的速度是340米/秒，地球自转在赤道的线速度远远超过了音速，实际上在北纬40°线以南（北京市以南）的我国大部分地区，地球自转的线速度都超过了音速。

地球不同纬度的线速度

玩过转雨伞吗？

下雨的时候，孩子们经常喜欢把雨伞转着玩儿，水滴会顺着伞边缘向四周飞散开来，很是有趣。当然你在玩的时候需要小心，别把周围人的衣服打湿。

转雨伞，把水甩出去

当我们转动伞柄，雨伞会快速旋转起来，伞面上的水也随之旋转，当伞提供的向心力不足以留住水滴时，水会在重力和离心加速度的双重作用下迅速向边缘移动，并且沿切线方朝向四周飞洒出去。

牛顿的水桶实验

链球运动员通过快速的旋转使球产生切线方向的速度，这个速度会形成一个向外的惯性力（许多人习惯称“离心力”），运动员拉拽球的力被称为向心力，当运动员松开手，失去向心力的链球就会向外飞到很远。

利用旋转的惯性力投掷链球

如果把链球换成半桶水会怎么样？只要你挥动胳膊的速度足够快，即便水桶在头顶上方完全倒扣过来，水也绝不会洒出一滴。

旋转水桶

俗话说“水往低处流”，受重力影响，水会从势能高的地方自然流向执能低的地方。一桶水放在地上不动它，因为受到的重力势能相等，水面会是平的。艾萨克·牛顿做过一个实验，他让一个装了水的桶旋转起来，发现水会向桶壁靠近，从而使水面产生一个抛物面的形状，这个时候水的等势面就变成了一个抛物面；假如旋转的速度再快些，水可能会洒出来。

牛顿水桶实验

其实离心运动的应用今天早已经深入到每个家庭，洗衣机就是利用高速旋转所产生的离心加速度来给衣服脱水。

那么问题来了：地球有71%的面积被海水覆盖，海洋几乎贯穿南北极，地球的自转速度有这么快，为什么海洋里的水没有因为强大的离心运动而全部汇聚到赤道呢？

为什么海水没有淹没赤道？

是什么力把海洋留在了原地？

自从海洋在地球上形成时起，它就一直跟随着地球转动。海水是流动的，随着地球的自转，海水自然也会受到离心加速度的影响朝势能更低的地方运动。

被淹没的城市

如果地球是一个标准的圆球体，在地球表面任何一点的重力方向都指向地心，同时地面的支持力也会指向与重力完全相反的方向。随着地球的自转，圆周运动的旋转加速度会产生一个与纬度面平行的惯性力f，因此海水会被这个力带到赤道附近。

水在旋转圆球体表面会朝赤道移动

但是地球并非完全规则的圆球，它实际上是一个“两极稍扁、赤道略鼓的”椭球体。这意味着只要海水不在赤道或两极，它受到的支持力与重力并不重叠，而是呈现一个倾向两极的夹角，这个夹角会产生一个合力，将海水向两极方向拉。

椭球体表面重力与支持力会形成一个指向极点的合力

由于重力G与支持力N的合力与旋转造成的惯性力f相抵消，所以海水总体上处于势能平衡的状态，它既不会流向北极，也不会因为离心运动而全部涌向赤道。

地球是一个旋转的椭球体

正确理解角速度与线速度的关系

当听说“坐地日行八万里”、“呆在家里超音速”时，你是不是觉得很惊讶？确实，我们跟随着地球一起转动，根本就没感觉到它转得这么快。实际上如果你跳出地球，站在太阳系的角度来看它，就会发现其实地球转得并不快，它一个小时才转15°，一天才转一圈。

地球表面大部分地区自转线速度很快，南北纬40°以内的地区甚至超过音速，这主要是因为地球很大，它的平均半径达到6371公里，即便24小时转一圈，它表面的速度也会很快。

但要是一桶水24小时才转一圈，水面会发生什么变化？几乎不变，对吧！

地球的洋流

地球上的海洋并不静止，受不同区域海水温度变化以及科里奥利力的影响，海洋中形成多股循环运动的洋流，但海洋总体上处于相对平衡的状态，这是地球形状与自转惯性力达成平衡的结果。

在这个宇宙中，没有什么可以比光的速度更快，这是爱因斯坦的相对论告诉我们的。

我们都很熟悉这种说法，以至于说的时候经常忽略一个前提：真空。在不同的介质中，光的传播速度是不同的。只有在没有介质的真空之中，光才可以达到这个极限。如果是在水中，光的速度无法达到这么快，在不透明固体中甚至无法传播。

除了光速之外，我们还经常提到音速。和光速相反的是，声音一般在固体中传播速度更快一些，在液体次之，空气中更慢，在没有介质的真空之中无法传播。

二者的本质都是波，却有着截然相反的性质，这是因为它们属于不同的波：光属于电磁波，声属于机械波。机械波必须依赖介质进行传播，而电磁波则不喜欢介质来阻碍自己前进。我们可以粗略地理解为：随着介质刚性的增加，电磁波传播越困难，而机械波则更容易传播。

真空就是电磁波速度的极限环境，因为我们可以说真空的刚性是0，不可能更小了。而音速则不同，我们可以知道它的速度下限，那就是真空中的0。我们也知道它在空气中（15℃）的传播速度，一般取340米每秒。我们通常说的音速指的就是声音在地表大气中的传播速度，比如所谓的超音速，不过本文中我们不特指某个环境。那么问题来了：音速是否有上限呢？

飞机超音速瞬间产生的音爆现象

既然音速在不同的介质中传播的速度不同，理论上来说，我们就必须测试音速在所有介质中的传播速度，然后取最快的一个。显然，这是不可能的，因为我们也不知道宇宙中有多少种物质，它们有多少种状态。因此，在很长一段时间里，声音的速度极限一直是困扰科学家们的难题。

我们已经知道了声音在一些固体中的传播速度，比如在20℃的铁中，传播速度约为每秒5130米；在花岗岩中，声音的传播速度可达6000米每秒；在金刚石中，声音则可以获得极快的速度，大约是每秒18000米。

这些数据对于科学家们来说非常重要，甚至成为了进行其他研究的参考。在地震的时候，我们也可以利用这些数据研究地球的内部结构。或者在太空之外，它可以帮助我们研究其他星球。可是，如果有些物质不在地球上，我们该如何求出声音在其中的传播速度呢？

虽然我们不可能将所有的物质都拿来一一测试，但是物理学的一些成果和基本数据，还是可以帮助我们从理论上推算出音速的上限。来自伦敦玛丽皇后大学、英国剑桥大学和俄罗斯高压物理研究所的科学家团队发现，声音的速度实际上取决于两个基本常数，一个是精细结构常数，一个是质子和电子的质量比。

精细结构常数的来历说来话长，简单解释一下，它是一个无量纲常数，也就是说它没有任何物理单位，或者说物理单位就是1。精细结构常数α=e2/(4πε0c?)，其中e是电子的电荷，ε0 是真空介电常数， ?是约化普朗克常数，c 是真空中的光速，最终计算结果是α≈137。

质子和电子的质量比很好理解，只要用二者的静止质量做除法就可以。

该科学团队在论文中指出：“精细结构常数和质子-电子质量比的微妙数值，以及二者之间的平衡，决定了恒星内部质子衰变和核合成等核反应，最终也促成了包括碳在内的基本化学元素的出现。这种平衡在宇宙空间提供了一个‘宜居范围’，允许恒星和行星的形成，也能够让支持生命的分子结构出现。我们的研究表明：精细结构常数和质子-电子质量比可以简单组合成为另一个无量纲的物理量，而这个量又对另一个重要的属性有着意想不到的特殊意义，这个属性就是波、或者说音速在固体和液体之中的传播速度。”

说了这么多，该团队最终得到的音速极限到底是怎么算出来的呢？

实际上，他们最终得到了一个音速的方程。推导过程比较复杂，我们就不赘述了，最后得到的音速极限等于精细结构常数乘以1/2质子-电子质量比的开平方再乘以光速，数学表达式为：

最后的计算结果是：音速的极限大约是每秒36公里，几乎是声音在金刚石中传播速度的2倍。

为了证明他们方程是否准确，研究团队对大量的固体和液体进行了测试，结果音速都符合这个方程。

他们还进行了另一个方式的验证：研究团队认为，音速会随着原子质量的增加而减小，那么它的极限速度就不会超过在质量最小的原子——氢原子中的传播速度。当然，为了传播得更快，他们测试的必须是生活中不可能见到的固体氢，这就要求其压力超过地表大气压100万倍，也就是1000兆帕的压强，才能将平时成气态的氢压缩为固态。

该团队并没有直接利用固态氢来进行测试，而是基于250到1000兆帕下固态氢的属性进行了相关的计算。结果表明，他们的方程依然成立。

至少从目前来看，该团队推导出来的方程还是一直适用的。如果在未来它依然能够不断地得到验证，那么我们就基本可以确定自己又掌握了一项物理学研究利器。甚至，在这次研究的成果之上，科学家们还可以更好地研究这个宇宙。

伦敦玛丽女王大学的物理学家Kostya Trachenko指出：“我们相信，这次研究的成果可以在科学领域有更加广泛的应用，比如它可以帮助我们寻找并理解与高温超导性、夸克-胶子等离子体甚至黑洞物理相关的各种性质的极限，像粘度、热导率等等。”

我们有句古话，叫做“授人以鱼不如授人以渔”。在以往，科学家们计算音速都是“鱼”，而这一次的方程很可能就是那个“渔”。如果它真的被证明是正确的，那么我们将会对宇宙有更加深入的了解。