Ударні хвилі

Для перерозподілу енергії газу, стислого і нагрітого в сильному стрибку ущільнення, по різних ступенях свободи потрібно звичайно дуже багато зіткнень молекул. Тому ширина шаруючи х, у якому відбувається перехід з початкового в кінцевий термодинамічно рівноважний стан, тобто ширина фронту ударної хвилі, в реальних газах набагато більше ніж ширина в'язкого стрибка і визначається часом релаксації найповільнішого з процесів: збудження коливань, дисоціації, іонізації і т.д. Розподіли температури і густини в ударній хвилі, де в'язкий стрибок ущільнення зображений у вигляді розриву.

У ударних хвиль, за фронтом яких газ сильно іонізований або які розповсюджуються по плазмі, іонна і електронна температури не співпадають. У скачці ущільнення нагріваються тільки важкі частинки, але не електрони, а обмін енергії між іонами і електронами відбувається поволі унаслідок великої відмінності їх мас. Релаксація пов'язана з вирівнюванням температур. Крім того, при розповсюдженні ударної хвилі у плазмі істотну роль виконує електронна теплопровідність, яка набагато більше іонної і завдяки якій електрони прогріваються перед стрибком ущільнення. У електропровідному середовищі у присутності зовнішнього магнітного поля розповсюджуються магнітогідродинамічні ударні хвилі. Їх теорія будується на основі рівнянь магнітної гідродинаміки аналогічно теорії звичних ударних хвиляхПри температурах вище за декілька десятків тисяч градусів на структуру У. у. істотно впливає променистий теплообмін. Довжини пробігу світлових квантів звичні набагато більше газокінетичні пробіги, і саме ними визначається товщина фронту. Всі гази непрозорі в більш менш далекій ультрафіолетовій області спектру, тому високотемпературне випромінювання, що виходить через стрибок ущільнення, поглинається перед стрибком і прогріває нестисливий газ. За стрибком газ охолоджується за рахунок втрат на випромінювання. В цьому випадку ширина фронту — порядку довжини пробігу випромінювання (~ 102 — 10-1 см в повітрі нормальної густини). Чим вище температура за фронтом, тим більше потік випромінювання з поверхні стрибка і тим вища температура газу перед стрибком. Нагрітий газ перед стрибком не пропускає видиме світло, що йде через фронт У. у., екрануючи фронт. Тому температура яскравості У. у. не завжди співпадає з істинною температурою за фронтом.

Ударні хвилі у твердих тілах. Енергія і тиск в твердих тілах мають двояку природу: вони пов'язані з тепловим рухом і з взаємодією частинок (теплові і пружні складові). Теорія між часткових сил не може дати загальної залежності пружних складових тиску і енергії від густини в широкому діапазоні для різних речовин і, отже, теоретично не можна побудувати функцію (р /). Тому ударні адіабати для твердих (і рідких) тіл визначаються з досвіду або напівемпірично. Для значного стиснення твердих тіл потрібен тиск в мільйони атмосфер, які зараз досягаються при експериментальних дослідженнях. На практиці велике значення мають слабкі ударні хвилі з тиском 104 — 105 атм. Це тиск, який розвивається при детонації, вибухах у воді, ударах продуктів вибуху об перешкоди і т.д. Підвищення ентропії в ударної хвилі з таким тиском невелике, і для розрахунку розповсюдження ударної хвилі звичайно користуються емпіричним рівнянням стану типу р = А [(/0) n — 1], де величина А, взагалі кажучи, залежна від ентропії, так само, як і n, вважається постійною. У ряді речовин — залозі, вісмуті і ін. в ударній хвилі відбуваються фазові переходи — поліморфні перетворення. При невеликому тиску в твердих тілах виникають пружні хвилі, розповсюдження яких, як і розповсюдження слабких хвиль стиснення в газах, можна розглядати на основі законів акустики.

Висновки

Будь-який об'єкт, рухаючись в матеріальному середовищі, порушує в ній хвилі, що розходяться. Літак, наприклад, впливає на молекули повітря в атмосфері. З кожної точки простору, де тільки що пролетів літак, починає у всі сторони з рівною швидкістю розходитися акустична хвиля, в строгій відповідності із законами розповсюдження хвиль в повітряному середовищі. Таким чином, кожна точка траєкторії руху об'єкту в середовищі (в даному випадку літака) стає окремим джерелом хвилі з сферичним фронтом.

При русі літака на дозвукових швидкостях ці акустичні хвилі розповсюджуються як звичні концентричні круги по воді, і ми чуємо звичний гул пролітаючого літака. Якщо ж літак летить на надзвуковій швидкості, джерело кожної наступної хвилі виявляється видалений по траєкторії руху літака на відстань, що перевищує те, яке до цього моменту встиг покрити фронт попередньої акустичної хвилі. Таким чином, хвилі вже не розходяться концентричними кругами, їх фронти перетинаються і взаємно посилюються в результаті резонансу, що має місце на лінії, направленій під гострим кутом назад по відношенню до траєкторії руху. І так відбувається безперервно в процесі всього польоту на надзвуковій швидкості, внаслідок чого літак залишає за собою шлейф резонансних хвиль, що розходиться, уздовж конічної поверхні, у вершині якої знаходиться літак.

Сила звуку в цьому конічному фронті значно перевищує звичний шум, видаваний літаком в повітрі, а сам цей фронт називається ударною хвилею. Ударні хвилі, розповсюджуючись в середовищі, надають різке, а іноді і руйнівна дія на матеріальні об'єкти, що зустрічаються на їх шляху. При прольоті неподалеку надзвукового літака, коли конічний фронт ударної хвилі дійде до вас, ви почуєте і відчуєте різкий, могутній виляск, схожий на вибух, — звуковий удар. Не бійтеся, це не вибух, а результат резонансного накладення акустичних хвиль: за частку миті ви чуєте весь сумарний шум, виданий літаком за достатньо тривалий проміжок часу.