יהלומי מאך

יהלומי מאך (הידועים גם כיהלומי הלם או יהלומי דחף) הם דפוס הנראה לעין כתוצאה מגל עומד הנוצר בגזי הפליטה העל קוליים (רשף) במערכות הנעה כגון מנועים רקטיים ומנועי סילון
(בין היתר גם מנוע על-מגח סילוני, מנוע מגח סילון), כאשר הם פועלים בלחץ אטמוספירי.

היהלומים הנוצרים הם תוצאה של שדה זרימה מורכב והם נראים עקב השינויים החדים בצפיפות ובלחץ הנוצרים על ידי גלי הלם ניצבים.
יהלומי מאך נקראים על שם ארנסט מאך, הפיזיקאי הראשון שתיאר אותם.

מנגנון הפעולה

יהלומי דחף נוצרים כאשר גזי הפליטה העל קוליים יוצאים מנחיר התפשטות (זרימת דה לאוואל) אשר תוכנן למצב בו קיימת התפשטות יתר מועטה, כלומר,
הלחץ הסטטי של הגזים הנפלטים מהנחיר נמוך מלחץ הסביבה.

הגברת הלחץ בזרימת גזי הפליטה היא אדיאבטית, והפחתת מהירות הזורם גורמת לעלייה משמעותית של הטמפרטורה הסטטית.
עליה זו בטמפרטורה יוצרת הצתה מחודשת של תוצרי הבערה שלא נשרפו הנמצאים בזורם הנפלט מתא הבערה.

לרוב אפשר לראות מצב של התפשטות יתר בגבהים נמוכים, בהם הלחץ האטמוספירי גבוה (בניגוד לאזורים גבוהים באטמוספירה או בוואקום שם הלחץ קטן יותר).
בזמן בו הזורם יוצא מהנחיר, הלחץ הסביבתי ידחוס את הזרימה. הדחיסה החיצונית נוצרת עקב גלי הלם משופעים הנוטים בזווית של הזרימה. הזרימה הדחוסה מתרחבת על ידי גלי התפשטות (הנקראה גם "מניפת התפשטות") וכל "יהלום" נוצר על ידי צימוד של גל הלם אלכסוני עם מניפת התפשטות.

כאשר הזרימה הדחוסה מגיעה לזווית המקבילה לקו המרכזי של הנחיר, נוצר גל הלם ניצב. שם נמצא יהלום הדחף הראשון. המרווח בין הנחיר ליהלום הראשון נקרא "Zone of Silence".

אפשר להעריך את המרחק בין קונוס ההתפשטות ליהלום הראשון על ידי הנוסחה:
כאשר  הוא המרחק,  הוא קוטר היציאה של נחיר ההתפשטות,  הוא לחץ הזורם ו- הוא לחץ הסביבה.

בזמן מעבר הזורם דרך גל ההלך הניצב הטמפרטורה שלו עולה, מה שמצית את שאריות הדלק בזורם וגורם לאפקט הוויזואלי אותו אנו רואים. האזורים המוארים נראים כמו יהלומים (מעוינים) ומכאן שמם.

בסופו של דבר לאחר הדחיסה בגל ההלם הניצב הבא שנוצר, הזרימה מתפשטת מספיק כך שהלחץ בזורם שוב מגיע לערך הקטן מהלחץ הסביבתי, ובנקודה זו מניפת ההתפשטות מוחזרת מהקצה החיצוני של שדה הזרימה (כמו מדפנות של צינור).

כעת נוצרת סוג של "מניפת דחיסה" הגורמת לדחיסה נוספת של הזורם.

אם מניפה זו חזקה מספיק, נוצר גל הלם אלכסוני נוסף היוצר יהלום דחף שני. דפוס זה יכול לחזור על עצמו לנצח אם הגזים היו אידיאליים וחסרי חיכוך, אבל עקב גזירה טורבולנטית
בקצה החיצוני של שדה הזרימה היהלומים דועכים ככל שעולה המרחק מהנחיר.

היהלומים יכולים להיווצר גם בנחיר בתת-התפשטות (לחץ היציאה מהנחיר גבוה מלחץ הסביבה), בלחץ אטמוספירי נמוך בגובה רב. במקרה זה קודם נוצרת מניפת ההתפשטות ורק אז גל ההלם האלכסוני.

מקורות נוספים

יהלומי דחף מיוחסים בעיקר למנועים רקטיים וסילוניים, אך הם יכולים להיווצר גם במערכות נוספות.

פריקת לחץ בצינורות גז

יהלומי מאך יכולים להיווצר גם בפריקת צינורות גז טבעי וזאת עקב הלחץ הגבוה בו נמצא הגז.

ארטילריה

כאשר פגזים ארטילריים נורים, גז יוצא מקצה הקנה במהירות גבוהה (על קולית) ויוצר סדרת יהלומי מאך. היהלומים יוצרים נקודות אור חזקות שיכולות לחשוף את מיקום התותח לאויב. נמצא שכאשר היחס בין לחץ הזורם ללחץ הסביבה קטן יהלומי המאך קטנים משמעותית.

הוספת מסתיר רשף בקצה הקנה מונעת את תופעת יהלומי המאך לחלוטין.

הרי געש

יהלומי מאך אף נצפו במספר מועט של הרי געש שיצרו סילון בזמן ההתפרצות - למשל, הר הגעש סנט הלנס והר הגעש קרקטואה.

סילון רדיו

מספר סילוני רדיו (Astrophysical jet/Radio Jet), סילונים עוצמתיים של פלאזמה היוצאים מגלקסיות רדיו ומקוואזרים נצפו כאשר יש בהם אזורים של פליטות גלי רדיו במרחקים סדורים.
הסילון נע במהירות על קולית דרך "אטמוספירה" דקה של גז בחלל, ולכן יש תאוריות המקשרות את פליטת הרדיו הנ"ל ליהלומי מאך.