Der Machsche Kegel ist eine spezielle Struktur in der Akustik, die bei Körpern beobachtet wird, die sich schnell durch ein Medium bewegen.

Über- und Unterschallgeschwindigkeit

Der Machsche Kegel wurde nach dem österreichischen Physiker und Philosophen Ernst Mach (1838 - 1916) benannt. Er betrachtete die Ausbreitung von Schallwellen, wenn sich Objekte durch ein Medium (z.B. Luft, Wasser) bewegen. Bewegungen schneller als der Schall im betreffenden Medium nennt man supersonisch. Die Machzahl übersteigt dann den Wert 1. Demgegenüber gibt es die subsonischen Bewegungen mit Geschwindigkeiten unterhalb der Schallgeschwindigkeit.

Einhüllende von Schockwellen ist ein Kegel

Bewegt sich ein Objekt schneller als mit Schallgeschwindigkeit (im Allgemeinen abhängig von der Temperatur und der Zusammensetzung des Mediums) im betreffenden Medium, so bilden sich im Medium an der Spitze des Objektes Stoßwellen aus, so genannte Schockwellen. Entlang der Bahn des supersonisch bewegten Körpers werden in jedem Punkt kugelförmige Schockwellen angeregt, die ins Medium propagieren. Die Kugelwellen an jedem Bahnpunkt weisen dabei verschiedene Radien auf, je nachdem wie viel Zeit sie hatten, um zu propagieren. Der Radius ist deshalb größer bei Bahnpunkten, die der Körper vor längerer Zeit passiert hat, als bei dem Punkt, wo er sich aktuell befindet: hier bildet sich die Kugelwelle gerade erst aus und hat einen kleinen Radius. Die Überlagerung all dieser kugelförmigen Stoßwellen, die Einhüllende, formt deshalb einen Kegel, den man Machschen Kegel nennt. Der Sinus des halben Öffnungswinkels des Kegels, des so genannten Machschen Winkels, entspricht gerade dem Quotienten aus Schall- zur Bewegungsgeschwindigkeit des Körpers. Der Machsche Winkel ist also umso kleiner, je schneller sich der Körper im Medium bewegt.

Analogie zur Cerenkov-Strahlung

In der Strömungsmechanik, Hydro- und Aerodynamik machen sich die Schockwellen akustisch bemerkbar. Der Überschallknall pflanzt sich mit den Schockwellen fort und ist hörbar (bekannt z.B. bei tief fliegenden Düsenjets).
Es gibt jedoch das analoge, optische Pendant: die Cerenkov-Strahlung. Dies ist gerade diejenige elektromagnetische Strahlung, die von Quellen emittiert wird, die sich schneller, als mit der Lichtgeschwindigkeit im betreffenden Medium (der Phasengeschwindigkeit) fortbewegen. Bei der Beschreibung der Cerenkov-Strahlung tritt eine verwandte Physik auf, nur dass die emittierten Wellen nicht mehr akustischer, sondern elektromagnetischer Natur sind. Die Begriffe Machscher Kegel und Machscher Winkel werden hier bisweilen auch ersetzt durch Cerenkov-Kegel und Cerenkov-Winkel.
Sobald ein Körper, der sich durch das Medium bewegt, eine höhere Geschwindigkeit als die Lichtgeschwindigkeit im betreffenden Medium hat (superluminale Bewegung), kommt es zur Emission der Cerenkov-Strahlung. Die Cerenkov-Strahlung ist gewissermaßen ein Regulator, um den superluminal bewegten Emitter auf die Phasengeschwindigkeit im betreffenden Medium abzubremsen. Bei diesem Phänomen kommt es zu keinem Zeitpunkt zur Verletzung der Speziellen Relativitätstheorie, weil die Vakuumlichtgeschwindigkeit c nie überschritten wird.