Ударная волна это кратко

Обновлено: 05.07.2024

Если объект движется быстрее, чем волны, которые он порождает в среде, он возбуждает расходящийся позади него шлейф ударных волн.

Любой объект, двигаясь в материальной среде, возбуждает в ней расходящиеся волны. Самолет, например, воздействует на молекулы воздуха в атмосфере. Из каждой точки пространства, где только что пролетел самолет, начинает во все стороны с равной скоростью расходиться акустическая волна, в строгом соответствии с законами распространения волн в воздушной среде. Таким образом, каждая точка траектории движения объекта в среде (в данном случае самолета) становится отдельным источником волны со сферическим фронтом.

При движении самолета на дозвуковых скоростях эти акустические волны распространяются как обычные концентрические круги по воде, и мы слышим привычный гул пролетающего самолета. Если же самолет летит на сверхзвуковой скорости, источник каждой следующей волны оказывается удален по траектории движения самолета на расстояние, превышающее то, которое к этому моменту успел покрыть фронт предыдущей акустической волны. Таким образом, волны уже не расходятся концентрическими кругами, их фронты пересекаются и взаимно усиливаются в результате резонанса, имеющего место на линии, направленной под острым углом назад по отношению к траектории движения. И так происходит непрерывно в процессе всего полета на сверхзвуковой скорости, в результате чего самолет оставляет за собой расходящийся шлейф резонансных волн вдоль конической поверхности, в вершине которой находится самолет. Сила звука в этом коническом фронте значительно превышает обычный шум, издаваемый самолетом в воздухе, а сам этот фронт называется ударной волной. Ударные волны, распространяясь в среде, оказывают резкое, а иногда и разрушительное воздействие на материальные объекты, встречающиеся на их пути. При пролете неподалеку сверхзвукового самолета, когда конический фронт ударной волны дойдет до вас, вы услышите и почувствуете резкий, мощный хлопок, похожий на взрыв, — звуковой удар. Не бойтесь, это не взрыв, а результат резонансного наложения акустических волн: за долю мгновения вы слышите весь суммарный шум, изданный самолетом за достаточно длительный промежуток времени.

Конус фронта ударной волны называется конусом Маха. Угол φ между образующими конуса Маха и его осью (см. рисунок) определяется формулой:

sin φ = u/v

где u — скорость звука в среде, v — скорость самолета. Отношение скорости движущегося объекта к скорости звука в среде называется числом Маха: M = v/u. (Соответственно, sin φ = 1/ M .) Нетрудно видеть, что у самолета, летящего со скоростью звука, М = 1, а при сверхзвуковых скоростях число Маха больше 1.

Ударные волны возникают не только в акустике. Например, если элементарная частица движется в среде со скоростью, превышающей скорость распространения света в этой среде, возникает ударная световая волна (см. Излучение Черенкова). По этому излучению физики сегодня выявляют элементарные частицы и определяют скорость их движения.

Турбуле́нтность, устар. турбуле́нция (от лат. turbulentus — бурный, беспорядочный), турбуле́нтное тече́ние — явление, заключающееся в том, что, обычно, при увеличении скорости течения жидкости или газа в среде самопроизвольно образуются многочисленные нелинейные фрактальные волны и обычные, линейные различных размеров, без наличия внешних, случайных, возмущающих среду сил и/или при их присутствии. Для расчёта подобных течений были созданы различные модели турбулентности. Волны появляются случайно.

Скорость звука — скорость распространения упругих волн в среде: как продольных (в газах, жидкостях или твёрдых телах), так и поперечных, сдвиговых (в твёрдых телах). Определяется упругостью и плотностью среды: как правило, в газах скорость звука меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях — меньше, чем в твёрдых телах. Также в газах скорость звука зависит от температуры данного вещества, в монокристаллах — от направления распространения волны. Обычно не зависит от частоты волны и её амплитуды; в тех случаях.

Дозвуковая скорость — скорость движения тела (транспортного средства, в частном случае), меньшая чем скорость распространения звуковых колебаний при заданных условиях в заданной среде.

Давление электромагнитного излучения, давление света — давление, которое оказывает световое (и вообще электромагнитное) излучение, падающее на поверхность тела.

Упоминания в литературе

Ударная волна – эта область сжатого воздуха, стремительно распространяющаяся во все стороны от эпицентра взрыва с огромной скоростью и характеризуется избыточным давление во фронте ударной волны – величиной, на которую это давление превышает атмосферное. На взрывную волну расходуется до 50 % энергии ядерного взрыва. Под действием ударной волны происходит разрушение зданий, сооружений, транспортных магистралей. Незащищенные люди получают закрытые и открытые повреждения, так как ввиду небольших размеров тела человека ударная волна мгновенно охватывает человека и подвергает его сильному сжатию в течение нескольких секунд. Мгновенное повышение давления воспринимается живым организмом как резкий удар. Причиной открытых повреждений являются чаще всего вторичные факторы действия ударной волны – летящие обломки зданий, сооружений и т. д. кроме того, скоростной напор при этом создает значительное лобовое давление, которое может привести к перемещению тела в пространстве. Продолжительность действия ударной волны около 15 сек.

Воздушная ударная волна – это область сильного сжатия воздуха, распространяющаяся во все стороны от центра взрыва со сверхзвуковой скоростью. Волна при мощности 20 килотонн проходит 1 км за 2 сек, 2 км за 5 сек, 3 км за 8 сек. Она состоит из области сжатия и области разрежения, что приводит к метательному и опрокидывающему действию. Основная характеристика поражающего действия ударной волны – максимальное избыточное давление воздуха (выше атмосферного), так как она определяет скачок давления, который происходит практически мгновенно при подходе волны к объекту.

Наиболее мощные потоки солнечных частиц обычно связаны с импульсными явлениями (вспышками), генерирующими ударные волны и разрывы в потоке солнечного ветра. Обычно ударная волна образуется в солнечной короне вблизи солнечной вспышки или активной области и распространяется затем от Солнца через межпланетную среду со скоростью порядка 100 км / с. Приблизительно через 20―100 часов ударная волна достигает Земли и вызывает внезапное сжатие всей магнитосферы [2]. В годы усиления солнечной активности, вследствие увеличения магнитной защиты, интенсивность космического облучения Земли снижается, и наоборот, наибольшее облучение Земли наблюдается в годы спокойного Солнца. При незначительной активности Солнца ветровые скорости сравнительно небольшие.

Взрыв характеризуется высвобождением значительного количества энергии в течение очень короткого времени в ограниченном пространстве. Часть энергии взрыва растрачивается на разрыв оболочки боеприпаса. 30–40 % образовавшихся газов расходуется на формирование ударной волны , светового и теплового излучения [Нечаев Э. А. и др., 1994].

Связанные понятия (продолжение)

Стратосфе́ра (от лат. stratum — настил, слой) — слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11—25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25—40 км от −56,5 °С до +0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 0 °C, температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой.

Релятиви́стская части́ца — частица, движущаяся с релятивистской скоростью, то есть скоростью, сравнимой со скоростью света. Движение таких частиц, рассматриваемых как классические (неквантовые) материальные точки, описывается специальной теорией относительности. Безмассовые частицы (фотоны, гравитоны, глюоны и т. д.) всегда являются релятивистскими, поскольку могут существовать, лишь двигаясь со скоростью света.

При наземном ядерном взрыве около 50 % энергии идёт на образование ударной волны и воронки в земле, 30— 50 % в световое излучение, до 5 % на проникающую радиацию и электромагнитное излучение и до 15 % в радиоактивное заражение местности.

Сверхзвукова́я ско́рость — скорость частиц вещества выше скорости звука или распространения волны сжатия (ударной волны), для данного вещества, или скорость тела движущегося в веществе с более высокой скоростью, чем скорость звука для данной среды.

Пограни́чный слой (ПС) в аэродинамике — слой трения: тонкий слой на поверхности обтекаемого тела или летательного аппарата (ЛА), в котором проявляется эффект вязкости. ПС характеризуется сильным градиентом скорости потока: скорость меняется от нулевой, на поверхности ЛА, до скорости потока вне пограничного слоя (в аэродинамике принято рассматривать ЛА неподвижным, а набегающий на него поток газа имеющим скорость ЛА, то есть в системе отсчёта ЛА).

Сейсмические волны — волны, переносящие энергию упругих (механических) колебаний в горных породах. Источником сейсмической волны может быть землетрясение, взрыв, вибрация или удар.

Гравитацио́нный колла́пс — катастрофически быстрое сжатие массивных тел под действием гравитационных сил. Гравитационным коллапсом может заканчиваться эволюция звёзд с массой свыше трёх солнечных масс. После исчерпания в таких звёздах материала для термоядерных реакций они теряют свою механическую устойчивость и начинают с увеличивающейся скоростью сжиматься к центру. Если растущее внутреннее давление останавливает гравитационное сжатие, то центральная область звезды становится сверхплотной нейтронной.

Заря́женная части́ца — частица, обладающая электрическим зарядом. Заряженными могут быть как элементарные частицы, так составные: атомарные и молекулярные ионы, многоатомные комплексы (кластеры, пылинки, капли). Заряд частиц всегда кратен элементарному заряду (если не учитывать кварковую модель адронов).

Эффе́кт Вави́лова — Черенко́ва, Эффект Черенкова, излуче́ние Вави́лова — Черенко́ва, черенко́вское излуче́ние — свечение, вызываемое в прозрачной среде заряженной частицей, движущейся со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде.

Гиперзвук — упругие волны с частотами от 101000 до 1012—1018 Гц. По физической природе гиперзвук не отличается от звуковых и ультразвуковых волн. Гиперзвук часто представляют как поток квазичастиц — фононов.

Теплово́е излуче́ние — электромагнитное излучение, возникающее за счёт внутренней энергии тела. Имеет сплошной спектр, расположение и интенсивность максимума которого зависят от температуры тела. При остывании последний смещается в длинноволновую часть спектра.

Межзвёздная среда (МЗС) — вещество и поля, заполняющие межзвёздное пространство внутри галактик. Состав: межзвёздный газ, пыль (1 % от массы газа), межзвёздные электромагнитные поля, космические лучи, а также гипотетическая тёмная материя. Химический состав межзвёздной среды — продукт первичного нуклеосинтеза и ядерного синтеза в звёздах. На протяжении своей жизни звёзды испускают звёздный ветер, который возвращает в среду элементы из атмосферы звезды. А в конце жизни звезды с неё сбрасывается оболочка.

Ускоре́ние свобо́дного паде́ния (ускорение силы тяжести) — ускорение, придаваемое телу силой тяжести, при исключении из рассмотрения других сил.

Нейтри́нное охлажде́ние — процесс охлаждения звёздных недр образующимися в них нейтрино, которые свободно уносят энергию из всего объёма ядра, так как звезда прозрачна для нейтрино низких энергий. Скорость такого объёмного нейтринного охлаждения, в отличие от классического поверхностного фотонного охлаждения, не лимитирована процессами переноса энергии из недр звезды к её фотосфере, поэтому такой механизм охлаждения весьма эффективен.

Атмосфе́ра Земли (от. др.-греч. ἀτμός — пар и σφαῖρα — шар) — газовая оболочка, окружающая планету Земля, одна из геосфер. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично земную кору, внешняя переходит в околоземную часть космического пространства.

Атмосферный ядерный взрыв — ядерный взрыв, происходящий в достаточно плотном воздухе (ниже 100 км), где образуется ударная волна, но при этом достаточно высоко, чтобы вспышка не коснулась земли.

Головная ударная волна — область взаимодействия между магнитосферой звезды или планеты и окружающей средой, в которой наблюдается повышенная плотность вещества. Для звёзд, как правило, это граница между звёздным ветром и межзвёздной средой. Для планет головной ударной волной является граница, на которой скорость солнечного ветра резко падает, по мере его приближения к магнитопаузе. Наиболее изученным примером головной ударной волны является место, где солнечный ветер встречается с магнитопаузой Земли.

Взрыв — быстропротекающий физический или физико-химический процесс, проходящий со значительным выделением энергии в небольшом объёме за короткий промежуток времени и приводящий к ударным, вибрационным и тепловым воздействиям на окружающую среду вследствие высокоскоростного расширения продуктов взрыва. Взрыв в твёрдой среде вызывает разрушение и дробление.

Эффе́кт До́плера — изменение частоты и, соответственно, длины волны излучения, воспринимаемое наблюдателем (приёмником), вследствие движения источника излучения и/или движения наблюдателя (приёмника). Эффект назван в честь австрийского физика Кристиана Доплера.

Косми́ческое излуче́ние — электромагнитное или корпускулярное излучение, имеющее внеземной источник; подразделяют на первичное (которое, в свою очередь, делится на галактическое и солнечное) и вторичное. В узком смысле иногда отождествляют космическое излучение и космические лучи.

Со́лнечный ве́тер — поток ионизированных частиц (в основном гелиево-водородной плазмы), истекающий из солнечной короны со скоростью 300—1200 км/с в окружающее космическое пространство. Является одним из основных компонентов межпланетной среды.

Гравитацио́нная неусто́йчивость (неустойчивость Джинса) — нарастание со временем пространственных флуктуаций скорости и плотности вещества под действием сил тяготения (гравитационных возмущений).

Термоядерная реа́кция — разновидность ядерной реакции, при которой лёгкие атомные ядра объединяются в более тяжёлые за счёт кинетической энергии их теплового движения.

Сопло́ Лава́ля — газовый канал особого профиля, разгоняющий проходящий по нему газовый поток до сверхзвуковых скоростей. Широко используется на некоторых типах паровых турбин и является важной частью современных ракетных двигателей и сверхзвуковых реактивных авиационных двигателей.

Я́дерный взрыв — неуправляемый процесс высвобождения большого количества тепловой и лучистой энергии в результате цепной ядерной реакции деления (или термоядерного синтеза в случае термоядерного взрыва) за очень малый промежуток времени. По своему происхождению ядерные взрывы являются либо продуктом деятельности человека на Земле и в околоземном космическом пространстве, либо природными процессами на некоторых видах звёзд. Искусственные ядерные взрывы — мощное оружие, предназначенное для уничтожения.

Гравитационная энергия — потенциальная энергия системы тел (частиц), обусловленная их взаимным гравитационным тяготением.

Продольные волны — распространяющееся с конечной скоростью в пространстве переменное взаимодействие материи, которое обычно характеризуется двумя функциями ─ векторной, направленной вдоль потока энергии волны, и скалярной функцией. В упругих волнах (звуковых волнах) векторная функция описывает колебания скорости движения элементов среды распространения волны. В зависимости от вида продольных волн и среды их распространения, скалярная функция описывает разного рода изменения в среде или в поле, например.

Теплово́е движе́ние — процесс хаотичного (беспорядочного) движения частиц, образующих вещество. Чем выше температура, тем больше скорость движения частиц. Чаще всего рассматривается тепловое движение атомов и молекул.

Ионизацио́нный калори́метр (от лат. calor — тепло и …метр) в физике элементарных частиц и ядерной физике — прибор, который измеряет энергию частиц. Большинство частиц, попадающих в калориметр, при взаимодействии с его веществом инициируют возникновение вторичных частиц, передавая им часть своей энергии. Вторичные частицы образуют ливень, который поглощается в объёме калориметра и его энергия измеряется с помощью полупроводниковых, ионизационных детекторов, пропорциональных камер, детекторов черенковского.

Магнитная гидродинамика — физическая дисциплина, возникшая на пересечении гидродинамики и электродинамики сплошной среды. Предметом её изучения является динамика проводящей жидкости или газа в магнитном поле. Примерами изучаемых сред являются различного рода плазма, жидкие металлы, солёная вода.

Скачок уплотнения — ударная волна, возникающая при обтекании тела потоком жидкости или газа, фронт которой сохраняет своё положение относительно этого тела.

Неустойчивость Рэлея — Тейлора (названа в честь лорда Рэлея и Дж. И. Тейлора) — самопроизвольное нарастание возмущений давления, плотности и скорости в газообразных и жидких средах с неоднородной плотностью, находящихся в гравитационном поле (Рэлей, 1900 г.) либо движущихся с ускорением (Тейлор, 1950 г.).

Углеро́дная детона́ция — загорание углерода взрывообразным характером в вырожденном ядре звёзд, аналог гелиевой вспышки.

Косми́ческие лучи́ — элементарные частицы и ядра атомов, движущиеся с высокими энергиями в космическом пространстве.

Упоминания в литературе (продолжение)

Ударные волны – один из распространенных примеров механической волны. Звуковая волна – колебательные движения частиц упругой среды, распространяющиеся в виде упругих волн (деформации сжатия, сдвига, которые переносятся волнами из одной точки среды в другую) в газообразной, жидкой и твердой среде. Звуковые волны, воздействуя на органы слуха человека, способны вызывать звуковые ощущения, если частоты соответствующих им колебаний лежат в пределах 16 – 2 ч 104 Гц (слышимые звуки). Упругие волны с частотами, меньшими 16 Гц, называются инфразвуком, а с частотами, большими 16 Гц, – ультразвуком. Скорость звука – фазовая скорость звуковых волн в упругой среде. Скорость звука различна в различных средах. Скорость звука в воздухе – 330–340 м/с (в зависимости от состояния воздуха).

Геомагнитной бурей называется возмущение магнитного поля Земли, возникающее во время его столкновения с ударной волной высокоскоростных потоков солнечного ветра[4]. Ударная волна солнечного ветра возникает во время вспышек на нашем светиле. Вспышки и корональные выбросы массы (подробнее о них читайте далее) становятся результатом внутренних магнитных сдвигов Солнца, признак которых – образование пятен на видимой поверхности светила. Таким образом, все этапы процесса, предваряющего воздействие на магнитное поле Земли, можно показать простой последовательностью.

Как же из сжимающегося газово-пылевого облака рождаются звезды? К настоящему времени астрофизиками разработано довольно много моделей конденсации газово-пылевой туманности в звезду. Старая джинсовская модель, не учитывавшая ни движения межзвездной среды, ни магнитных полей, ни ударных волн , ни многого другого, подверглась многочисленным модификациям, но в целом устояла. Однако эта модель, доказывающая неизбежность сжатия некоторых облаков межзвездной среды, ничего не говорит о конкретных процессах, сопровождающих сжатие.

Толщина ударной волны , образовавшейся перед Солнечной системой, возросла в десятки раз. В результате потоки ионизированной плазмы начали интенсивно поступать в Солнечную систему.

Поскольку скорость вращения спирального узора и скорость вращения диска галактики различны, происходит протекание газа сквозь спиральный рукав со сверхзвуковой скоростью. При этом неизбежно возникает ударная волна (когда газ сталкивается с рукавом). Газ в ударной волне претерпевает сильное сжатие, с которого и начинается образование звезд. Видимо, имеются и другие возможности образования звезд в спиральных рукавах галактик. Но все они, несомненно, связаны с уплотнением спиральной волны межзвездного газа.

Такое газово-пылевое облако может существовать в космическом пространстве много миллионов лет, пока какой-нибудь импульс – например, ударная волна от взрыва ближайшей звезды – не запустит процесс образования в нем новой звездной системы. Именно такой пусковой механизм 4,6 млрд лет назад послужил началом формирования нашей Солнечной системы. Очень медленно, на протяжении миллиона лет, вихрь, состоявший из газа и пыли, втягивался внутрь к центру. Подобно вращающемуся фигуристу, гигантское облако крутилось все быстрее и быстрее, по мере того как гравитация притягивала его легкие края к центру. Сжимаясь и ускоряя вращение, облако постепенно уплотнялось и расплющивалось в форме диска, в центре которого росло новое небесное тело, – так рождалось Солнце. Этот центральный шар, вобравший в себя почти весь водород, становился все больше и больше, пока не поглотил 99,9 % всей массы облака. В процессе его роста давление и температура внутри шара поднялись до точки ядерного синтеза, и Солнце зажглось.

В качестве примера на рисунке 7 показана схема волнового наддува, при реализации которой энергия, необходимая для регулирования расхода наддувочного воздуха через турбину, создается в результате пульсаций газа на впуске и выпуске. Использование такой схемы наддува позволяет улучшить приемистость автомобильного двигателя. Длина и объем резонаторов 5 подбираются с учетом характерных режимов работы двигателя. При выходе двигателя на режим номинальной мощности возвратные клапаны 7 автоматически закрываются. Хороший крутящий момент можно получить, если возникающие при закрытии впускных клапанов ударные волны или пульсации потока использовать для дозарядки других цилиндров. Чем больше цилиндров (ударных волн) объединяет один впускной коллектор, тем незначительнее эффект дозарядки, так как пульсации в коллекторе взаимно выравниваются. Наиболее эффективно такая система функционирует у 3-цилиндрового двигателя, так как здесь одновременно с закрытием одного впускного клапана начинает открываться другой.

скачок уплотнения, распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью тонкая переходная область, в которой происходит резкое увеличение плотности, давления и скорости вещества. У. в. возникают при взрывах, при сверхзвуковых движениях тел (см. Сверхзвуковое течение), при мощных электрических разрядах и т.д. Например, при взрыве ВВ образуются высоконагретые продукты взрыва, обладающие большой плотностью и находящиеся под высоким давлением. В начальный момент они окружены покоящимся воздухом при нормальной плотности и атмосферном давлении. Расширяющиеся продукты взрыва сжимают окружающий воздух, причём в каждый момент времени сжатым оказывается лишь воздух, находящийся в определённом объёме; вне этого объёма воздух остаётся в невозмущённом состоянии. С течением времени объём сжатого воздуха возрастает. Поверхность, которая отделяет сжатый воздух от невозмущённого, и представляет собой У. в. (или, как говорят, — фронт У. в.).

Классический пример возникновения и распространения У. в. — опыт по сжатию газа в трубе поршнем. Если поршень вдвигается в газ медленно, то по газу со скоростью звука а бежит акустическая (упругая) волна сжатия. Если же скорость поршня не мала по сравнению со скоростью звука, возникает У. в. Скорость распространения У. в. по невозмущённому газу u_В = (x_ф2 – x_ф1) /(t₂ –t₁) (рис. 1) больше, чем скорость движения частицы газа (так называемая массовая скорость), которая совпадает со скоростью поршня u = (x_П2 – x_П1) /(t₂ –t₁). Расстояния между частицами в У. в. меньше, чем в невозмущённом газе, вследствие сжатия газа. Если поршень сначала вдвигают в газ с небольшой скоростью и постепенно ускоряют, то У. в. образуется не сразу. Вначале возникает волна сжатия с непрерывными распределениями плотности ρ и давления р. С течением времени крутизна передней части волны сжатия нарастает, так как возмущения от ускоренно движущегося поршня догоняют её и усиливают, вследствие чего возникает резкий скачок всех гидродинамических величин, то есть У. в.

где p₁ — давление, ρ₁ — плотность, ε₁ — удельная внутренняя энергия, u₁ — скорость вещества за фронтом У. в. (в системе координат, в которой У. в. покоится), а p₀, ρ₀, ε₀, u₀ — те же величины перед фронтом. Скорость u₀ втекания газа в разрыв численно совпадает со скоростью распространения У. в. u _В по невозмущённому газу. Исключая из равенств (1) скорости, можно получить уравнения ударной адиабаты:

где V = 1/ρ — удельный объём, ω = ε + p /ρ — удельная энтальпия. Если известны термодинамические свойства вещества, то есть функции ε(р,ρ) или ω(p, ρ), то ударная адиабата даёт зависимость конечного давления p₁ от конечного объёма V₁ при ударном сжатии вещества из данного начального состояния p₀, V₀, то есть зависимость p₁ = H (V₁, p₀, V₀).

При переходе через У. в. энтропия вещества S меняется, причём скачок энтропии S₁ — S₀ для данного вещества определяется только законами сохранения (1), которые допускают существование двух режимов: скачка сжатия (ρ₁ > ρ₀, p₁ > p₀) и скачка разрежения (ρ₁ a₀ (где a₀ — скорость звука в невозмущённом веществе) тем большей, чем больше интенсивность У. в., то есть чем больше (p₁ — p₀)/ p₀. При стремлении интенсивности У. в. к 0 скорость её распространения стремится к a₀. Скорость У. в. относительно сжатого газа, находящегося за ней, является дозвуковой: u₁ γ (рис. 2). При ударном сжатии вещества для данного изменения V необходимо большее изменение р, чем при адиабатическом сжатии. Это является следствием необратимости нагревания при ударном сжатии, связанного, в свою очередь, с переходом в тепло кинетической энергии потока, набегающего на фронт У. в. В силу соотношения

u₀ 2 = V₀ 2 (р₁- р₀) / (V₀ — V₁), следующего из уравнений (1), скорость У. в. определяется наклоном прямой, соединяющей точки начального и конечного состояний (рис. 2).

Таким образом, сколь угодно сильная У. в. не может сжать газ более чем в (γ + 1)/(γ — 1) раз. Например, для одноатомного газа γ = и предельное сжатие равно 4, а для двухатомного (воздух) — γ = и предельное сжатие равно 6. Предельное сжатие тем выше, чем больше теплоёмкость газа (меньше γ).

Вязкий скачок уплотнения. Необратимость ударного сжатия свидетельствует о наличии диссипации механической энергии во фронте У. в. Диссипативные процессы можно учесть, приняв во внимание вязкость и теплопроводность газа. При этом оказывается, что сам скачок энтропии в У. в. не зависит ни от механизма диссипации, ни от вязкости и теплопроводности газа. Последние определяют лишь внутреннюю структуру фронта волны и его толщину. В У. в. не слишком большой интенсивности все величины — u, р, ρ и Т монотонно изменяются от своих начальных до конечных значений (рис. 3). Энтропия же S меняется не монотонно и внутри У. в. достигает максимума в точке перегиба скорости, то есть в центре волны. Возникновение максимума S в волне связано с существованием теплопроводности. Вязкость приводит только к возрастанию энтропии, так как благодаря ей происходит рассеяние импульса направленного газового потока, набегающего на У. в., и превращение кинетической энергии направленного движения в энергию хаотического движения, то есть в тепло. Благодаря же теплопроводности тепло необратимым образом перекачивается из более нагретых слоев газа в менее нагретые.

У. в. в реальных газах. В реальном газе при высоких температурах происходят возбуждение молекулярных колебаний, диссоциация молекул, химические реакции, ионизация и т.д., что связано с затратами энергии и изменением числа частиц. При этом внутренняя энергия ε сложным образом зависит от р и ρ и параметры газа за фронтом У. в. можно определить только численными расчётами по уравнениям (1), (2).

Для перераспределения энергии газа, сжатого и нагретого в сильном скачке уплотнения, по различным степеням свободы требуется обычно очень много соударений молекул. Поэтому ширина слоя Δх, в котором происходит переход из начального в конечное термодинамически равновесное состояние, то есть ширина фронта У. в., в реальных газах обычно гораздо больше ширины вязкого скачка и определяется временем релаксации (См. Релаксация) наиболее медленного из процессов: возбуждения колебаний, диссоциации, ионизации и т.д. Распределения температуры и плотности в У. в. при этом имеют вид, показанный на рис. 4, где вязкий скачок уплотнения изображен в виде разрыва.

В У. в., за фронтом которых газ сильно ионизован или которые распространяются по плазме (См. Плазма), ионная и электронная температуры не совпадают. В скачке уплотнения нагреваются только тяжёлые частицы, но не электроны, а обмен энергии между ионами и электронами происходит медленно вследствие большого различия их масс. Релаксация связана с выравниванием температур. Кроме того, при распространении У. в. в плазме существенную роль играет электронная теплопроводность, которая гораздо больше ионной и благодаря которой электроны прогреваются перед скачком уплотнения. В электропроводной среде в присутствии внешнего магнитного поля распространяются магнитогидродинамические У. в. Их теория строится на основе уравнений магнитной гидродинамики аналогично теории обычных У. в.

При температурах выше нескольких десятков тысяч градусов на структуру У. в. существенно влияет лучистый теплообмен. Длины пробега световых квантов обычно гораздо больше газокинетических пробегов, и именно ими определяется толщина фронта. Все газы непрозрачны в более или менее далёкой ультрафиолетовой области спектра, поэтому высокотемпературное излучение, выходящее из-за скачка уплотнения, поглощается перед скачком и прогревает несжатый газ. За скачком газ охлаждается за счёт потерь на излучение. В этом случае ширина фронта — порядка длины пробега излучения (Ударная волна 10 2 — 10 -1 см в воздухе нормальной плотности). Чем выше температура за фронтом, тем больше поток излучения с поверхности скачка и тем выше температура газа перед скачком. Нагретый газ перед скачком не пропускает видимый свет, идущий из-за фронта У. в., экранируя фронт. Поэтому яркостная температура У. в. не всегда совпадает с истинной температурой за фронтом.

У. в. в твёрдых телах. Энергия и давление в твёрдых телах имеют двоякую природу: они связаны с тепловым движением и с взаимодействием частиц (тепловые и упругие составляющие). Теория между частичных сил не может дать общей зависимости упругих составляющих давления и энергии от плотности в широком диапазоне для разных веществ и, следовательно, теоретически нельзя построить функцию ε(р /ρ). Поэтому ударные адиабаты для твёрдых (и жидких) тел определяются из опыта или полуэмпирически. Для значительного сжатия твёрдых тел нужны давления в миллионы атмосфер, которые сейчас достигаются при экспериментальных исследованиях. На практике большое значение имеют слабые У. в. с давлениями 10 4 — 10 5 атм. Это давления, которые развиваются при детонации, взрывах в воде, ударах продуктов взрыва о преграды и т.д. Повышение энтропии в У. в. с такими давлениями невелико, и для расчёта распространения У. в. обычно пользуются эмпирическим уравнением состояния типа р = А [(ρ/ρ₀) n — 1], где величина А, вообще говоря, зависящая от энтропии, так же, как и n, считается постоянной. В ряде веществ — железе, висмуте и др. в У. в. происходят фазовые переходы — полиморфные превращения. При небольших давлениях в твёрдых телах возникают Упругие волны, распространение которых, как и распространение слабых волн сжатия в газах, можно рассматривать на основе законов акустики.

Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Механика сплошных сред, 2 изд., М., 1953; Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П., Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, 2 изд., М., 1966; Ступоченко Е. В., Лосев С. А., Осипов А. И., Релаксационные процессы в ударных волнах, М., 1965.

Рис. 2. Ударная адиабата Н и адиабата Пуассона Р, проходящие через общую начальную точку А исходного состояния.

УДАРНАЯ ВОЛНА – это распространяющийся по среде фронт резкого, почти мгновенного, изменения параметров среды: плотности, давления, температуры, скорости. Ударные волны называют также сильными разрывами или скачками. Причины возникновения ударных волн в газах – полеты со сверхзвуковыми скоростями (звуковой удар), истечения с большими скоростями через сопла, мощные взрывы, электрические разряды, интенсивное горение.

Ударные волны могут возникать и из первоначально непрерывных течений. Любая достаточно интенсивная волна сжатия порождает ударную волну из-за того, что в этих волнах задние частицы движутся быстрее впереди бегущих (нелинейное укручение фронта волны).

Ударные волны являются частью детонационных волн, волн конденсации (хорошо известным примером этого явления служат шлейфы тумана, остающиеся за самолетом при пролете через участки атмосферы с повышенной влажностью), могут возникать при взаимодействии лазерного излучения с веществом (светодетонационные волны). Сход снежной лавины также может рассматриваться как ударная волна.

В твердых телах ударные волны возникают при высокоскоростном соударении тел, в астрофизических условиях – при взрывах звезд.

Одним из примеров ударной волны является катастрофическое нарастание давки в охваченной паникой толпе, протискивающейся через узкий проход. Родственным явлением приходится затор в потоке транспорта. Ударные волны в газах были обнаружены в середине 19 в. в связи с развитием артиллерии, когда возросшая мощь артиллерийских орудий позволила метать снаряды со сверхзвуковой скоростью.

Введение понятия ударной волны приписывают немецкому ученому Бернхарду Риману (1876).

Условия на фронте ударной волны.

При переходе через ударную волну должны выполняться общих законов сохранения массы, импульса и энергии. Соответствующие условия на поверхности волны – непрерывность потока вещества, потока импульса и потока энергии:

Условия Ренкина – Гюгонио позволяют получить давление и плотность за фронтом ударной волны в зависимости от начальных данных (интенсивности ударной волны и давления и плотности перед ней):

h – энтальпия газа (функция r и p). Эта зависимость носит название адиабаты Гюгонио, или ударной адиабаты (рис. 1).

Фиксируя на адиабате точку, соответствующую начальному состоянию перед ударной волной, получаем все возможные состояния за волной заданной интенсивности. Состояниям за скачками сжатия отвечают точки адиабаты, расположенные левее выбранной начальной точки, за скачками разрежения – правее.

Анализ адиабаты Гюгонио показывает, что давление, температура и скорость газа после прохождения скачка сжатия неограниченно возрастают при увеличении интенсивности скачка. В это же время плотность возрастает лишь в конечное число раз, сколь бы ни была велика интенсивность скачка. Количественно увеличение плотности зависит от молекулярных свойств среды, для воздуха максимальный рост 6 раз. При уменьшении амплитуды УВ она вырождается в слабый (звуковой) сигнал.

Из условий Ренкина – Гюгонио также можно получить уравнение прямой в плоскости , p

называемой прямой Рэлея – Михельсона. Угол наклона прямой определяется значением скорости газа перед ударной волной u₀, сечение адиабаты Гюгонио этой прямой дает параметры газа за фронтом ударной волны. Михельсон (в России) ввел это уравнение при исследовании воспламенения гремучих газовых смесей в 1890, работы британца лорда Рэлея по теории ударных волн относятся к 1910.

Скачки разрежения.

В воздухе наблюдаются только скачки уплотнения. В этом случае по отношению к среде перед ее фронтом ударной волны движется со скоростью, превышающей скорость звука в этой среде, по среде за ее фронтом волна движется с дозвуковой скоростью. Звуковые волны могут нагнать ударную волну сзади, сама же волна надвигается бесшумно. Привлечение законов термодинамики позволило теоретически обосновать это свойство ударных волн для сред с обычными термодинамическими свойствами (теорема Цемплена). Однако, в средах со специальными термодинамическими свойствами скачки разрежения возможны: известны скачки такого рода в средах с фазовыми переходами, например, пар – жидкость.

Структура ударной волны.

Типичная ширина ударной волны в воздухе – 10 –4 мм (порядка нескольких длин свободного пробега молекул). Малая толщина такой волны дает возможность во многих задачах считать ее поверхностью разрыва. Но в некоторых случаях имеет значение структура ударной волны. Такая задача представляет и теоретический интерес. Для слабых ударных волн хорошее согласие эксперимента и теории дает модель, учитывающая вязкость и теплопроводность среды. Для ударных волн достаточно большой интенсивности структура должна учитывать (последовательно) стадии установления термодинамического равновесия поступательных, вращательных, для молекулярных газов еще и колебательных степеней свободы, в определенных условиях – диссоциацию и рекомбинацию молекул, химические реакции, процессы с участием электронов (ионизацию, электронное возбуждение).

Контактные разрывы.

Ударные волны следует отличать от контактных разрывов, также являющихся поверхностями раздела сред с различными плотностями, температурами и, может быть, скоростями. Но, в отличие от ударных волн, через контактный разрыв нет протекания вещества и давление с обеих его сторон одинаково. Контактные разрывы называют также тангенциальными.

Распад произвольного разрыва.

Поверхность произвольного разрыва, разделяющая две области среды с заданными давлением, плотностью, скоростью, в последующие моменты времени в общем случае перестает существовать (распадается). В результате такого распада может возникнуть две, одна или ни одной ударной волны, а также волны разрежения (являющиеся непрерывными) и контактный разрыв, что может быть рассчитано по начальным данным. Решение этой задачи впервые было сообщено Н.Е.Кочиным (доклад 1924 на первом международном конгрессе по прикладной механике в г. Дельфте (Нидерланды), опубликовано в 1926).

Легко представить практические случаи, которые приводят к задачам такого рода, например, разрыв диафрагмы, разделяющей газы различного давления и т.д. Решение такой задачи актуально для расчета работы ударной трубы.

Ударная труба.

Простейшая ударная труба состоит из камер высокого и низкого давления, разделенных диафрагмой (рис. 2).

После разрыва диафрагмы в камеру низкого давления устремляется толкающий газ из камеры высокого давления, формируя волну сжатия, которая, быстро увеличивая свою крутизну, образует ударную волну. За ударной волной в камеру низкого давления движется контактный разрыв. Одновременно в камеру высокого давления распространяется волна разрежения.

Первые ударные трубы появились в конце 19 в., с тех пор развитие техники ударных труб позволило превратить ударные волны в самостоятельный инструмент для исследований. В ударной трубе можно получить газ, однородно нагретый до 10 000 ° К и выше. Такие возможности широко используются при изучении многих химических реакций, различных физических процессов. В астрофизических исследованиях основными данными являются спектры звезд. Точность интерпретации этих спектров определяется результатами сравнения со спектрами, полученными на ударных трубах.

С конца 1920-х стала развиваться сверхзвуковая аэродинамика. Первая сверхзвуковая аэродинамическая труба в США (в Национальном консультативном комитете по аэронавтике, NACA) была создана к 1927, в СССР – в 1931–1933 (в Центральном аэрогидродинамическом институте), это открыло новые возможности экспериментального исследования ударных волн. Сверхзвуковое течение качественно отличается от дозвукового, в первую очередь, наличием ударных волн. Возникновение ударных волн приводит к значительному повышению сопротивления движущихся тел (столь значительному, что возник термин – волновой кризис), а также к изменению действующих на эти тела тепловых нагрузок. Вблизи ударных волн эти нагрузки очень велики и, если не предприняты соответствующие меры защиты, может произойти прогорание корпуса летательного аппарата и его разрушение. Крайне важная проблема в аэродинамике – предотвращение бафтинга (появления нестационарных ударных волн у поверхности летательного аппарата). При бафтинге действие динамических и тепловых нагрузок становится переменным по времени и месту приложения, противостоять таким нагрузкам намного сложнее.

Косые и прямые ударные волны.

В поле течения ударная волна может быть перпендикулярной невозмущенному течению (прямая ударная волна) или составлять с невозмущенным течением некоторый угол (косая ударная волна). Прямые ударные волны обычно создаются в специальных экспериментальных устройствах – ударных трубах. Косые ударные волны возникают, например, при сверхзвуковом обтекании тел, при истечении газа из сверхзвуковых сопел и т.п.

Есть еще одна классификация ударных волн. Примыкающие к твердой поверхности волны носят название присоединенных, не имеющие точек соприкосновения – отошедших. Отошедшие ударные волны возникают при сверхзвуковом обтекании затупленных тел (например, сферы), присоединенные волны имеют место в случае остроконечных тел (клина, конуса); такие волны не столько тормозят течение, сколько резко разворачивают его, так что и за ударной волной течение остается сверхзвуковым.

В ряде случаев газодинамическая теория допускает оба случая течения за фронтом присоединенной волны и сверхзвуковое (в этом случае ударная волна называется слабой), и дозвуковое течение (сильная ударная волна).

Экспериментально наблюдаются только такие ударные волны.

Регулярное и маховское отражение волн.

В зависимости от угла падения ударной волны на препятствие волна может отражаться непосредственно на поверхности препятствия или на некотором расстоянии от него. Во втором случае отражение называется трехволновым, поскольку в этом случае возникает третья ударная волна, соединяющая падающую и отраженную волны с поверхностью препятствия.

Впервые зафиксированное австрийским ученым Эрнстом Махом в 1878, трехволновое отражение получило также название маховского, для отличия от двухфронтового (или регулярного) отражения.

Выполненный Махом эксперимент, позволивший обнаружить трехволновой режим отражения, заключался в следующем (рис. 5): в двух точках, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, одновременно проскакивали две искры, порождавшие две сферических ударных волны.

Распространяясь над поверхностью, зачерненной сажей, эти волны оставляли отчетливый след точек их пересечения, начинающийся посередине между точками инициализации волн, а затем идущий по срединному перпендикуляру отрезка, соединяющего эти точки инициализации. Далее отрезок на концах разделялся на две симметрично расходящиеся линии. Полученная картина соответствует тому, что на ранней стадии взаимодействия ударные волны отражаются друг от друга так, как будто происходит отражение в регулярном режиме от воображаемой плоскости, расположенной посередине между точками инициализации волн. Затем образуется скачок Маха, соединяющий соответствующие точки кривых, приведенных на рис. 3. Поскольку на зачерненной поверхности остаются лишь траектории точек пересечения волн, Мах продемонстрировал впечатляющую проницательность, сумев расшифровать смысл полученных следов.

Задача о сильном взрыве.

К 1945 было создано мощное оружие разрушения – атомная бомба. Оценка последствий ядерного взрыва во многом связана с расчетом воздействия образовавшейся в результате взрыва ударной волны. Такая задача, называемая задачей о сильном взрыве, впервые была решена Л.И.Седовым в СССР (опубликовано в 1946), получившим точное аналитическое решение поставленной задачи (в виде конечных формул). В 1950 опубликовал свое исследование этой же задачи (с использованием приближенных численных методов) Дж. Тейлор (США).

Сходящаяся ударная волна.

Впервые задача о фокусировке ударной волны была сформулирована и решена Г.Гудерлеем в Германии (1942) и независимо Л.Д.Ландау и К.П.Станюковичем в СССР (опубликовано в 1955). По мере приближения волны к центру фокусировки происходит концентрация энергии и ударная волна усиливается. В моменты, близкие к фокусировке, волна выходит на некоторый предельный (называемый автомодельным) режим, когда предшествующие условия создания и распространения ударной волны не важны. Сходящиеся ударные волны позволяют получать гигантские давления и температуры в точке фокусировки, в настоящее время изучение таких волн – одно из перспективных направлений создания управляемого термоядерного синтеза.

Устойчивость ударной волны.

Если условия течения таковы, что его малые возмущения имеют тенденцию к росту, то со временем рост этих возмущений может привести к изменению режима течения или даже к полному его разрушению. Специальные исследования устойчивости УВ в среде с общими свойствами впервые проведены в СССР (С.П.Дьяков, 1954, и В.М.Конторович, 1957 – уточнение результатов Дьякова). Были определены области устойчивости (затухание возмущений) и неустойчивости (рост возмущений), нейтральной устойчивости (ударная волна не реагирует на возмущения), а также обнаружена область спонтанного излучения звука поверхностью ударной волны. Простые расчеты, основанные на полученных результатах, показали, что в воздухе ударная волна абсолютно устойчива. Вместе с тем, неустойчивость проявляется, например, у детонационных волн, что приводит к особенностям распространения волн такого рода: галопирующая и спиновая детонация, ячеистая структура детонационных волн.

Тенденция даже слабых волн сжатия к опрокидыванию приводит к тому, что звуковые волны переходят в слабые скачки и более уже не распространяются со звуковой скоростью – скорость слабого скачка равна полусумме скоростей звука в среде до скачка и после него. В этом сложность экспериментального определения точной скорости звука. Теория дает следующие результаты – в воздухе (при нормальных условиях) 332 м/с, в воде (при 15 ° С) 1490 м/с.

Число Маха.

Отношение скорости течения к скорости звука – важная характеристика течения и носит название числа Маха:

u – скорость газа, a – скорость звука. При сверхзвуковом течении число Маха больше единицы, при дозвуковом – меньше единицы, при течении со звуковой скоростью – равно единице.

Угол Маха.

Для источника слабых возмущений, обтекаемого сверхзвуковым потоком, наблюдается интересное явление: четко выраженные границы поля возмущений – линии Маха (рис. 6). При этом синус образованного линией Маха и направлением основного течения угла есть обратное число Маха: .

Этого и следовало ожидать, так как скорость распространения слабых возмущений поперек направления набегающего потока есть скорость звука. Чем больше скорость набегающего потока, тем уже делается угол Маха.

Взаимодействие ударных волн с пограничным слоем.

При течении в канале с развитыми пограничными слоями у стенок прямой скачок заменяется Х-образным скачком, составленным двумя l-образными скачками (обычным и перевернутым). За фронтом такого скачка происходит нарастание толщины пограничного слоя, пограничный слой турбулизуется, могут образовываться другие Х-образные скачки и, в конце концов, может возникнуть ситуация, когда падение скорости потока от сверхзвуковой до дозвуковой происходит в сложной системе скачков и неодномерного течения – псевдоскачке.

Теория мелкой воды.

УДА́РНАЯ ВОЛНА́, скачок давления, плотности, скорости течения вещества и др. параметров, движущийся по веществу со сверхзвуковой скоростью. Интенсивность У. в. характеризуют относительным скачком давления p : ( p ₂ -p ₁)/ p ₁ или Маха числом v ₁/ c ₁, где v – скорость У. в. относительно вещества, c – скорость звука в среде, индексы 1 и 2 относятся соответственно к параметрам перед скачком и за ним. Скачки давления, плотности ρ и скорости связаны законами сохранения массы, импульса и энергии, из которых следуют соотношения: p ₂ -p ₁ = ρ ₁ DU ; ρ ₂/ ρ ₁ =D /( D-U ), где D и U – соответственно скорость У. в. и скорость вещества за скачком в лабораторной системе координат. Скорости D и U связаны со скоростями течения в системе координат скачка ( v ₁ и v ₂) соотношениями D=v ₁, U=v ₁ -v ₂.

Читайте также: