Введение
Распространяющееся возмущение
В физике ударная волна (также пишется ударная волна) или просто удар – это тип распространяющегося возмущения, движущегося быстрее локальной скорости звука в среде. Подобно обычной волне, ударная волна переносит энергию и может распространяться в среде, но характеризуется резким, почти скачкообразным изменением давления, температуры и плотности среды. Для сравнения, в сверхзвуковых потоках дополнительное расширение может быть достигнуто с помощью волны расширения, также известной как вентилятор Прандтля — Майера. Сопутствующая волна расширения может приближаться и в конечном итоге сталкиваться и рекомбинироваться с ударной волной, создавая процесс деструктивной интерференции. Звуковой удар, связанный с прохождением сверхзвукового летательного аппарата, является типом звуковой волны, возникающей в результате конструктивной интерференции. В отличие от солитонов (другого вида нелинейных волн), энергия и скорость ударной волны по отдельности относительно быстро рассеиваются с расстоянием. Когда ударная волна проходит через вещество, энергия сохраняется, но энтропия возрастает. Это изменение свойств вещества проявляется в уменьшении энергии, которую можно извлечь в виде работы, и в виде силы сопротивления для сверхзвуковых объектов; ударные волны являются сильно необратимыми процессами.
В сверхзвуковых потоках
Резкость изменения свойств среды, характеризующая ударные волны, может рассматриваться как фазовый переход: диаграмма зависимости давления от времени для сверхзвукового объекта, движущегося в среде, показывает, что переход, вызванный ударной волной, аналогичен динамическому фазовому переходу. Когда объект (или возмущение) движется быстрее, чем информация может распространяться в окружающей среде, то среда вблизи возмущения не успевает реагировать или "отойти в сторону" до момента прибытия возмущения. В ударной волне свойства среды (плотность, давление, температура, скорость потока, число Маха) изменяются практически мгновенно. Измерения толщины ударных волн в воздухе показали значения около 200 нм (примерно 10−5 дюйма), что сопоставимо с длиной свободного пробега молекул газа. В контексте континуальной модели это означает, что ударную волну можно рассматривать как линию или плоскость, в зависимости от того, является ли поле течения двумерным или трехмерным, соответственно. Ударные волны формируются, когда фронт давления движется со сверхзвуковой скоростью, оказывая давление на окружающий воздух. В области, где это происходит, звуковые волны, распространяющиеся против потока, достигают точки, за которой они не могут распространяться дальше вверх по течению, и давление в этой области постепенно возрастает, что приводит к быстрому образованию ударной волны высокого давления. Ударные волны не являются обычными звуковыми волнами; ударная волна представляет собой очень резкое изменение свойств газа. Ударные волны в воздухе воспринимаются как громкий хлопок или щелчок. На больших расстояниях ударная волна может трансформироваться из нелинейной в линейную, вырождаясь в обычную звуковую волну по мере нагрева воздуха и потери энергии. Эта звуковая волна воспринимается как знакомый грохот или удар звукового удара, обычно возникающий при сверхзвуковом полете летательных аппаратов. Ударная волна – один из нескольких способов сжатия газа в сверхзвуковом потоке. Другие методы включают изэнтропическое сжатие, в том числе сжатие Прандтля-Мейера. Метод сжатия газа определяет различные значения температуры и плотности при заданном отношении давлений, которые могут быть аналитически рассчитаны для газа, в котором не происходят химические реакции. Сжатие посредством ударной волны приводит к потере полного давления, что делает этот метод менее эффективным для сжатия газов в некоторых приложениях, например, во входном устройстве прямоточного воздушно-реактивного двигателя (скремджета). Возникновение волнового сопротивления на сверхзвуковых летательных аппаратах в основном обусловлено влиянием ударного сжатия на поток.
Нормальные шоки
В элементарной механике жидкостей, использующей идеальные газы, ударная волна рассматривается как разрыв, при котором энтропия резко возрастает при прохождении волны. Поскольку течение жидкости не может быть разрывным, вокруг ударной волны создается контрольный объем с контрольными поверхностями, ограничивающими этот объем и параллельными ударной волне (одна поверхность – со стороны среды перед волной, другая – со стороны среды после волны). Эти поверхности разделены очень малым расстоянием, чтобы сама волна полностью находилась между ними. На этих контрольных поверхностях импульс, массовый расход и энергия остаются постоянными; в процессе горения детонацию можно моделировать как подвод тепла через ударную волну. Предполагается, что система адиабатична (тепло не поступает в систему и не выходит из нее) и работа не совершается. Условия Ранкина — Гугониота вытекают из этих соображений. Учитывая сделанные предположения, в системе, где параметры потока за волной становятся субзвуковыми, параметры потока до и после волны считаются изэнтропическими. Поскольку общее количество энергии в системе постоянно, энтальпия стагнации остается постоянной в обеих областях. Однако энтропия возрастает; это компенсируется снижением давления стагнации в потоке за волной.
Обнаженные удары
При анализе ударных волн в потоке, прилегающих к телу, ударная волна, отклоняющаяся от направления потока под некоторым произвольным углом, называется косой ударной волной. Для анализа таких волн требуется векторное разложение потока на составляющие; это позволяет рассматривать поток, направленный ортогонально к косой ударной волне, как нормальную ударную волну.
Удары с лука
Когда наклонный скачок уплотнения, вероятно, образуется под углом, который не может удерживаться на поверхности, возникает нелинейное явление, при котором ударная волна формирует непрерывный рисунок вокруг тела. Такие волны называются головными ударами. В этих случаях одномерная модель течения неприменима и требуется дополнительный анализ для прогнозирования сил давления, действующих на поверхность.
Ударные волны, вызванные нелинейным углублением
Ударные волны могут формироваться из-за нарастания крутизны обычных волн. Наиболее известный пример этого явления – океанские волны, образующие прибой на берегу. На мелководье скорость поверхностных волн зависит от глубины воды. Приходящая океанская волна имеет немного большую скорость вблизи гребня каждой волны, чем вблизи впадин между волнами, поскольку высота волны не пренебрежимо мала по сравнению с глубиной воды. Гребни обгоняют впадины, пока передний край волны не приобретает вертикальную форму и не обрушивается, образуя турбулентный скачок (прибой), который рассеивает энергию волны в виде звука и тепла. Аналогичные явления влияют на сильные звуковые волны в газе или плазме из-за зависимости скорости звука от температуры и давления. Сильные волны нагревают среду вблизи каждого фронта давления за счет адиабатического сжатия самого газа, так что фронты высокого давления обгоняют соответствующие фронты низкого давления. Существует теория, что уровни звукового давления в духовых инструментах из латуни, таких как тромбон, становятся достаточно высокими для возникновения нарастания крутизны, формируя важную часть яркого тембра этих инструментов. Хотя формирование скачков таким образом обычно не происходит с несвязанными звуковыми волнами в атмосфере Земли, считается, что это один из механизмов нагрева солнечной хромосферы и короны посредством волн, распространяющихся из недр Солнца.
Аналогии
Ударная волна может быть описана как наиболее удалённая точка в направлении движения от объекта, которая "знает" о его приближении. В этом описании положение ударной волны определяется как граница между областью, не имеющей информации о событии, вызвавшем ударную волну, и областью, получившей эту информацию, что аналогично световому конусу в специальной теории относительности. Для образования ударной волны объект в данной среде (например, в воздухе или воде) должен двигаться быстрее локальной скорости звука. В случае самолёта, летящего на высокой дозвуковой скорости, области воздуха вокруг самолёта могут двигаться со скоростью звука, в результате чего звуковые волны, исходящие от самолёта, накладываются друг на друга, подобно затору на шоссе. При формировании ударной волны локальное давление воздуха возрастает и затем распространяется в стороны. Благодаря этому эффекту усиления ударная волна может быть очень интенсивной, по ощущениям напоминающей взрыв при наблюдении на расстоянии (что неудивительно, поскольку взрывы и создают ударные волны). Аналогичные явления наблюдаются и за пределами гидродинамики. Например, заряженные частицы, ускоренные до скорости, превышающей скорость света в преломляющей среде (такой как вода, где скорость света меньше, чем в вакууме), создают видимые эффекты, подобные ударным, явление, известное как излучение Черенкова.
Волна детонации
Детонационная волна – это, по сути, ударная волна, поддерживаемая следующей за ней экзотермической реакцией. Она представляет собой волну, распространяющуюся в легковоспламеняющейся или химически нестабильной среде, такой как смесь кислорода и метана или взрывчатое вещество. Химическая реакция среды происходит после прохождения ударной волны, а химическая энергия этой реакции поддерживает движение волны. Детонационная волна подчиняется несколько иным законам, чем обычная ударная волна, поскольку движется за счет химической реакции, протекающей позади волнового фронта. В простейшей теории детонации, самораспространяющаяся детонационная волна, не нуждающаяся в поддержке, движется со скоростью потока Чапмана — Жуге. Детонация также вызывает распространение ударной волны в окружающий воздух из-за избыточного давления, создаваемого взрывом. Когда ударная волна возникает при использовании мощных взрывчатых веществ, таких как тротил (ТНТ), который имеет скорость детонации 6900 м/с, она всегда распространяется с высокой сверхзвуковой скоростью от точки взрыва.
Удар с носа (отдельный удар)
Эти ударные волны изогнуты и формируют небольшое расстояние перед телом. Непосредственно перед телом они располагаются под углом 90 градусов к набегающему потоку, а затем огибают тело. Отделенные ударные волны позволяют проводить те же аналитические расчеты, что и для прикрепленной ударной волны, для потока вблизи ударной волны. Они представляют собой постоянный интерес, поскольку правила, определяющие расстояние до ударной волны перед тупым телом, сложны и зависят от формы тела. Кроме того, расстояние до ударной волны резко меняется с температурой для неидеального газа, что приводит к значительным различиям в теплопередаче системе тепловой защиты аппарата. Подробное обсуждение этой темы можно найти в разделе "Атмосферный вход". Эти решения соответствуют решениям "сильной ударной волны" аналитических уравнений, то есть для некоторых наклонных ударных волн, очень близких к пределу угла отклонения, число Маха за волной становится дозвуковым. См. также ударная волна в носовой части или наклонная ударная волна. Такая ударная волна возникает, когда превышается максимальный угол отклонения. Отделенная ударная волна обычно наблюдается на тупых телах, но также может наблюдаться на острых телах при низких числах Маха. Примеры: космические аппараты (Аполлон, Спейс Шаттл), пули, граница (ударная волна в носовой части) магнитосферы. Название "bow shock" (ударная волна в носовой части) происходит от примера волнового следа, отделенной ударной волны, формирующейся в носовой части (передней части) судна или лодки, движущегося по воде, скорость поверхностной волны которого легко превышается (см. океанская поверхностная волна).
Прикрепленный удар
Эти ударные волны выглядят как примыкающие к острым концам тел, движущихся со сверхзвуковой скоростью. Примеры: сверхзвуковые клины и конусы с малыми углами при вершине. Примыкающая ударная волна – это классическая структура в аэродинамике, поскольку для идеального газа и невязкого потока существует аналитическое решение, позволяющее вычислить отношение давлений, отношение температур, угол клина и число Маха за волной, зная число Маха перед волной и угол наклона ударной волны. Меньшие углы наклона ударной волны соответствуют более высоким числам Маха перед волной, а частный случай, когда ударная волна перпендикулярна набегающему потоку (нормальный удар), соответствует числу Маха, равному единице. Эти случаи описываются "слабыми" решениями аналитических уравнений.
В быстрых гранулированных потоках
Ударные волны могут также возникать в быстром движении плотных гранулированных материалов по наклонным каналам или склонам. Сильные ударные волны в быстром движении плотных гранулированных материалов могут изучаться теоретически и анализироваться для сопоставления с экспериментальными данными. Рассмотрим конфигурацию, в которой быстро движущийся материал, стекающий по желобу, сталкивается с преградой, установленной перпендикулярно в конце длинного и крутого канала. Удар приводит к резкому изменению режима течения – от быстрого сверхкритического тонкого слоя к неподвижной толстой куче. Эта конфигурация течения особенно интересна, поскольку она аналогична некоторым гидравлическим и аэродинамическим ситуациям, связанным с переходом режимов течения от сверхкритического к субкритическому.
В астрофизике
В астрофизической среде существует множество различных типов ударных волн. Некоторые распространенные примеры — ударные волны сверхновых или волны взрыва, распространяющиеся в межзвездной среде, ударная волна, возникающая при столкновении магнитного поля Земли с солнечным ветром, и ударные волны, образующиеся при столкновении галактик. Другим интересным типом ударных волн в астрофизике является квазистационарный обратный шок или терминационный шок, который останавливает ультрарелятивистский ветер от молодых пульсаров.
Метеоритный поход
Ударные волны генерируются метеороидами при входе в атмосферу Земли. Тунгусское событие и челябинское метеоритное событие 2013 года – наиболее хорошо задокументированные свидетельства ударной волны, вызванной массивным метеороидом. Когда метеор 2013 года вошел в атмосферу Земли с выделением энергии, эквивалентной 100 килотоннам тротила или более – в десятки раз превышающей мощность атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму – его ударная волна вызвала разрушения, подобные тем, что возникают при пролете сверхзвукового самолета (непосредственно под траекторией метеора), а также распространялась как детонационная волна. Круговая ударная волна, центром которой был взрыв метеора, привела к многочисленным случаям разбитых стекол в Челябинске и близлежащих районах (на изображении).
Технологические приложения
В приведенных ниже примерах ударная волна контролируется и создается (например, профилем крыла) или возникает внутри технологического устройства, такого как турбина.
Двигатели внутреннего сгорания
Волновой дисковый двигатель (также называемый "радиальный волновой ротор с внутренним сгоранием") – это разновидность поршневого вращательного двигателя, использующая ударные волны для передачи энергии от высокоэнергетической жидкости к низкоэнергетической, тем самым повышая температуру и давление последней.
Мемристоры
В мемристорах под воздействием внешнего электрического поля могут возникать ударные волны в оксидах переходных металлов, вызывающие быстрые и энергонезависимые изменения сопротивления.