Что такое ударные волны и как они создаются?

Ударные волны возникают, когда что-то движется быстрее скорости звука, вызывая внезапные изменения свойств жидкости.

Когда вы слышите слово "ударная волна", на ум приходит несколько образов. Эффект взрыва бомбы, пожалуй, самый яркий из них. Давайте разберемся, что означают ударные волны в физике и как именно они создаются.

Что такое ударная волна?

Ударная волна, как и любая волна, представляет собой возмущение, движущееся через среду. Это тонкие волновые фронты, которые вызывают внезапные изменения давления, температуры и плотности среды.

Ударные волны возникают в сверхзвуковых потоках. Это когда что-то движется со скоростью, превышающей скорость звука в среде. Когда пуля летит со скоростью, превышающей скорость звука в воздухе, мы получаем ударные волны.

Чтобы визуализировать ударные волны, нам нужны специальные методы визуализации, такие как визуализация Шлирена.

Если ударная волна возникает в направлении, перпендикулярном направлению потока, их называют нормальными ударными волнами. Если они возникают под углом, их называют косыми ударными волнами.

Как образуются ударные волны?

Прежде чем перейти к вопросу "как", давайте рассмотрим число Маха. Это отношение скорости объекта, движущегося через среду, к скорости звука в этой среде. Таким образом, скорость 1 Маха означает, что объект движется со скоростью звука, также называемой трансзвуковой скоростью.

Число Маха

Рассмотрим лодку, движущуюся по воде. Лодка движется со скоростью, превышающей скорость волн на воде, поэтому волны вынуждены уходить с дороги. В результате образуется видимый нами след.

Когда объект движется через среду с низкой скоростью, число Маха меньше единицы. В этом случае волны в среде, исходящие от него, будут симметричными или почти симметричными во всех направлениях.

Когда он набирает скорость, волны перед ним сжимаются. Они будут иметь большую частоту, а волны позади него - меньшую. Волны впереди сжимаются тем сильнее, чем быстрее движется объект, пока мы не достигнем скорости звука.

При скорости звука число Маха равно единице, и в этот момент волны сжимаются и накладываются друг на друга в передней части объекта.

Что же происходит, когда движущийся объект превышает скорость звука? Волны не могут приспособиться или догнать объект и остаются, так сказать, позади. Отстающие волны создают форму расширяющегося конуса.

Ударные волны вокруг нас

Что создает ударные волны? Сверхзвуковые самолеты - очевидный ответ, поскольку они часто движутся со скоростью выше единицы Маха. На изображении ниже вы можете видеть, как сверхзвуковой самолет преодолевает звуковой барьер. Конус пара образуется в результате падения температуры и давления, вызванного ударными волнами. Когда ударные волны доходят до нас, мы слышим звуковой удар, который ассоциируется у нас с пролетающими мимо реактивными самолетами.

На рисунке ниже показано, как волны ведут себя в дозвуковых, маховых и сверхзвуковых условиях.

Пули, летящие со сверхзвуковой скоростью, генерируют ударные волны. Именно это вызывает "треск" пули, который можно услышать, когда она пролетает мимо кого-то. В потрясающем видеоролике ниже вы можете увидеть, как такие волны улавливаются с помощью технологии schlieren imaging и затем анализируются.

Звук, слышимый при ударе кнута, является результатом слабых ударных волн, создаваемых быстро движущимся наконечником. Да, именно так. Кончик кнута движется быстрее скорости звука, создавая этот звук!

Раскат грома также является явлением ударной волны. Взрыв петард - это результат ударных волн. Взрывы бомб создают похожие, но более крупные сферические ударные волны, которые могут опрокинуть здания, если взрыв достаточно сильный. Падение метеорита также может вызвать такие волны.

За пределами самолетов и бомб

Ударные волны возникают в сверхзвуковых потоках. Говоря об ударных волнах на примере самолетов, мы иногда ограничиваем наши представления. Здесь мы думаем об объектах, движущихся со сверхзвуковой скоростью, но мы также можем думать о жидкости, текущей со сверхзвуковой скоростью по трубе, которая сталкивается с изменением чего-либо - например, изменением формы или размеров трубы. В таком случае также возникнут ударные волны!